DE102007056844A1

DE102007056844A1 - Membranbett für einen Druckmittler, Druckmittler mit einem solchen Membranbett sowie Drucksensor mit einem solchen Druckmittler

Info

Publication number: DE102007056844A1
Application number: DE200710056844
Authority: DE
Inventors: Raimund Becher
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Ein Membranbett für einen Druckmittler umfasst einen Membranbettkörper, welcher eine Oberfläche mit einer Kontur aufweist, die geeignet ist, als Prägevorlage für eine Trennmembran eines Druckmittlers zu dienen und eine abgeprägte Trennmembran abzustützen, wobei die Kontur erhalten ist durch einen Fertigungsschritt, der Senkerodierung umfasst. Ein erfindungsgemäßer Druckmittler umfasst eine flexible metallische Trennmembran, die an einer Oberfläche eines metallischen Druckmittlerkörpers unter Einschluss einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper mittels einer umlaufenden Fügenaht, insbesondere Schweißnaht, druckdicht befestigt ist, wobei die Druckkammer in einem Oberflächenabschnitt des Druckmittlerkörpers ein Membranbett gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche aufweist, auf dem die Trennmembran abgeprägt ist, und wobei die Druckkammer eine Öffnung aufweist zur Übertragung eines über die Trennmembran in die Druckkammer eingeleiteten Drucks über einen hydraulischen Pfad mittels einer Übertragungsflüssigkeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Membranbett für einen Druckmittler, einen Druckmittler mit einem solchen Membranbett sowie einen Druckmessumformer mit einem solchen Druckmittler.
Gattungsgemäße Druckmittler und Druckmessumformer sind beispielsweise Offenbart in:
DE 10 2005 035 931 A1 , DE 10 2005 027 035 A1 , DE 10 2005 002 658 A1 , DE 10 2004 028 381 A1 , DE 203 11 320 U1 , DE 103 41 659 A1 , DE 102 00 779 A1 , DE 203 05 869 U1 , DE 38 89 914 T2 und DE 690 15 367 T2 .
Druckmittler werden in der industriellen Prozessmesstechnik eingesetzt um, einen zu messenden Mediendruck zu einem Drucksensor eines Druckmessumformers hydraulisch zu übertragen, beispielsweise um den Drucksensor von extremen Temperaturen eines Mediums entfernt zu halten, wenn diese Temperaturen außerhalb des vom Sensor tolerierbaren Temperaturbereich liegen. Ein Druckmittler umfasst gewöhnlich eine flexible metallische Trennmembran, die an einer Oberfläche eines metallischen Druckmittlerkörpers unter Einschluss einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper mittels einer umlaufenden Fügenaht, insbesondere Schweißnaht, druckdicht befestigt ist.
Die Druckkammer kommuniziert über einen hydraulischen Pfad, welcher eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Leitung umfasst, mit dem Drucksensor um diesen mit dem über die Trennmembran in die Druckkammer übertragenen Druck zu beaufschlagen.
Insoweit als die Trennmembranen einen gewissen Volumenhub der Übertragungsflüssigkeit ermöglichen sollen, weisen sie in aller Regel ein konzentrisches Wellenmuster auf, welches gewöhnlich durch Abprägen auf einem gegenüber der Trennmembran in der Oberfläche des Druckmittlerkörpers ausgebildeten Membranbett geformt ist.
Die Gestalt der geprägten Trennmembranen ist von großer Bedeutung für die resultierenden Eigenschaften im Messbetrieb hinsichtlich Druckfehler, temperatur- bzw. überlastbedingten Hysterese-Effekten und dergleichen mehr.
Insoweit als das Volumen der Übertragungsflüssigkeit, genauer dessen temperaturabhängige Volumenausdehnung, den Druckfehler eines Druckmittlers bestimmt, ist es wünschenswert, die Masse der in dem Druckmittler eingesetzten Übertragungsflüssigkeit zu minimieren. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass auch bei tiefen Temperaturen, wenn einerseits das Volumen der Übertragungsflüssigkeit minimal ist und andererseits die Übertragungsflüssigkeit eine gewisse Zähigkeit aufweist, dennoch eine gewisse Restmenge an Übertragungsflüssigkeit zwischen dem Membranbett und der Trennmembran vorhanden ist, um den an der Trennmembran anstehenden Druck noch zuverlässig übertragen zu können. Dies setzt insbesondere eine hinreichend homogene Verteilung des verbleibenden Restvolumens der Übertragungsflüssigkeit in dem Volumen zwischen dem Membranbett und der Trennmembran voraus.
Dies wird jedoch dadurch erschwert, dass Membranbetten nach dem Stand der Technik im wesentlichen als Drehteile hergestellt sind und insoweit eine rotationssymmetrische Struktur von Wellenzügen aufweisen, welche der Übertragungsflüssigkeit in gewisser Hinsicht als eine Serie von Ringwällen bzw. Strömungsbarrieren entgegentritt. Um dies zu erleichtern kennt der Stand der Technik Druckmittler in dessen Membranbetten zusätzlich radiale Kanäle eingefräst sind um eine bessere Verteilung der Übertragungsflüssigkeit zu ermöglichen. Dazu ist jedoch anzumerken, dass diese Kanäle bezüglich einerseits ein Zusatzvolumen an Übertragungsflüssigkeit bedeuten, welches den Druckfehler aufgrund der erforderlichen Mengenzunahme der eingesetzten Übertragungsflüssigkeit erhöht, und andererseits, bei gegebenem Kanalvolumen nicht optimal zu einer verbesserten Verteilung des Kanalvolumens führen, da die gefrästen radialen Kanäle nicht strömungsoptimiert sind. Weiterhin dürfen die radialen Kanäle nicht so gestaltet sein, dass sie beim Abprägen der Trennmembran auf dem Membranbett mit abgeprägt werden, denn dieses würde zu einer ungewünschten Versteifung der Trennmembran führen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Membranbrett für einen Druckmittler bereitzustellen, welches die Nachteile des Stands der Technik überwindet, sowie einen Druckmittler mit einem solchen Membranbett und einen Druckmessumformer mit einem solchen Druckmittler.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Membranbett gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1, den Druckmittler gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 5, und den Druckmessumformer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 7. Weiterhin offenbart die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 10.
Das erfindungsgemäße Membranbett für einen Druckmittler umfasst einen Membranbrettkörper, welcher eine Oberfläche mit einer Kontur aufweist, die geeignet ist als Prägevorlage für eine Trennmembran eines Druckmittlers zu dienen und eine abgeprägte Trennmembran abzustützen, wobei die Fertigung der Kontur Senkerodierung umfasst.
Die Senkerodierung kann insbesondere nach einer Herstellung von Wellenzügen mittels Drehen folgen. Gleichermaßen ist es möglich die Kontur vollständig mit Senkerodierung herzustellen.
Die Senkerodierung hat gegenüber Fräsen oder Sägen von Konturkomponenten den Vorteil, dass die Präparation mit Sicherheit gratfrei erfolgt, und dass auch an geneigten Flächen definierte Formen präpariert werden können. Insbesondere die Gratfreiheit ist vorteilhaft, da die abzuprägenden Trennmembranen, sehr dünn sind und durch einen Grat beim Prägevorgang beschädigt bzw. zerstört werden könnten.
Bei der Senkerodierung wird mittels einer Elektrode welches zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Elektrode angelegt, um die Oberfläche des Werkstücks mittels Funken zu erodieren. Die Elektrode hat die negative Form der zu schaffenden Werkstückoberfläche, im vorliegenden Fall also der Kontur des Membranbetts.
In einer derzeit bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, ist die Kontur des Membranbetts zumindest abschnittsweise nicht rotationssymmetrisch.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Membranbett zumindest abschnittsweise eine spiralförmige Kontur.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Membranbett zumindest abschnittsweise eine Kontur mit in Radialrichtung durchbrochenen ringförmigen Wellenzügen.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die radialen Durchbrüche zwischen einem Wellenzug und dessen radial auswärts benachbarten Wellenzug einerseits sowie dem Wellenzug und dessen radial einwärts benachbarten Wellenzug andererseits gegeneinander entlang der Verlaufsrichtung der Wellenzüge versetzt.
Ein radialer Durchbruch kann beispielsweise eine Breite von nicht weniger als 0,1 und bevorzugt nicht weniger als 0,2 mm aufweisen. Ein radialer Durchbruch kann andererseits beispielsweise eine Breite von nicht mehr als 0,8 und bevorzugt nicht mehr als 0,6 mm aufweisen. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein radialer Durchbruch eine Breite von etwa 0,4 mm aufweisen.
Ein radialer Durchbruch kann beispielsweise eine Tiefe von nicht weniger als 0,05 und bevorzugt nicht weniger als 0,1 mm aufweisen. Ein radialer Durchbruch kann andererseits beispielsweise eine Tiefe von nicht mehr als 0,4 und bevorzugt nicht mehr als 0,2 mm aufweisen.
Der oder die radialen Durchbrüche können auch durchgehend sein wenn der Prägedruck beim Abprägen der Trennmembran auf dem Membranbett so gewählt ist, dass der Durchbruch nicht mit abgeprägt wird.
Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst eine flexible metallische Trennmembran, die an einer Oberfläche eines metallischen Druckmittlerkörpers unter Einschluss einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper mittels einer umlaufenden Fügenaht, insbesondere Schweißnaht, druckdicht befestigt ist, wobei die Druckkammer ein erfindungsgemäßes Membranbett in einem Oberflächenabschnitt des Druckmittlerkörpers aufweist, auf dem die Trennmembran abgeprägt ist, wobei die Druckkammer eine Öffnung aufweist zur Übertragung eines über die Trennmembran in die Druckkammer eingeleiteten Drucks über einen hydraulischen Pfad mittels einer Übertragungsflüssigkeit.
Ein Druckmittler kann beispielsweise entweder eine eigenständige Baugruppe sein, die über eine Kapillarleitung an einen Druckmessumformer hydraulische gekoppelt ist, oder er kann in einen Druckmessumformer integriert sein.
Der erfindungsgemäße Druckmessumformer umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler, sowie
einen Drucksensor mit einem druckempfindlichen, elastischen Verformungskörper und einem Wandlerelement zur Ausgabe eines von einer Verformung des Verformungskörpers abhängigen elektrischen oder optischen Signals, wobei
die Druckkammer über einen hydraulischen Pfad, welcher eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Leitung umfasst, mit dem Verformungskörper des Drucksensors hydraulisch gekoppelt ist.
Erfindungsgemäße Druckmessumformer können Absolutdruck-Relativdruck- und Differenzdruckmessumformer sein.
Der Verformungskörper kann beispielsweise eine ebene Membran, eine Rohrmembran, oder eine Bourdonröhre sein. Ein Wandler zur Ausgabe eines elektrischen Signals kann einen resistiven Wandler, insbesondere einen piezoresistiven Wandler, einen kapazitiven Wandler oder einen Resonatorwandler mit einem mechanischen Resonator umfassen, wobei letzterer beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 00 0010 318 069 A1 beschrieben ist. Einzelheiten hierzu sind dem Fachmann geläufig und bedürfen nicht Ein Wandler zur Ausgabe eines optischen Signals kann beispielsweise einen Laser-Resonator umfassen, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift WO 002001090712 A1 beschrieben.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: Eine Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines Druckmittlerkörpers mit einem erfindungsgemäßen Membranbett; und
2. Eine Aufsicht auf eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Membranbetts.
Der in 1 gezeigte Druckmittlerkörper 1 umfasst ein Membranbett 2 mit konzentrisch verlaufenden Wellenzügen, die in einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers 2 beispielsweise durch Drehen ausgebildet sind. In der Mitte des Membranbetts mündet eine Bohrung 3 die in axialer Richtung durch den Druckmittlerkörper 1 verläuft. Bei einem fertig gestellten Druckmittler ist eine hier nicht gezeigte Trennmembran mit einer umlaufenden Fügestelle, beispielsweise einer Schweißnaht, unter Einschluss des Membranbetts an dem Druckmittlerkörper befestigt. Die Trennmembran weist eine Kontur auf, die im wesentlichen der Kontur des Membranbetts entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Trennmembran auf dem Membranbett abgeprägt wird.
Der Raum zwischen dem Membranbett und der Trennmembran bildet eine Druckkammer, die im Messbetrieb mit einer Übertragungsflüssigkeit, um den an der Trennmembran anstehenden Druck durch die Bohrung 3 hydraulisch zu übertragen.
Erfindungsgemäß weist das Membranbett 2 zwischen den umlaufenden konzentrischen Wellenzügen radiale Durchbrüche auf, die entlang der Linien 4 verlaufen. Die Linien 4 sind nur zur Kennzeichnung der Richtung der radialen Durchbrüche dargestellt. Die radialen Durchbrüche selbst umfassen lediglich klein Vertiefungen, welche den Fluss der Übertragungsflüssigkeit in radialer Richtung erleichtern. Sie sind mittels Senkerodierung gefertigt, und weisen somit einen definierten Querschnitt auf, wobei sie absolut gratfrei sind und damit die Trennmembran nicht beschädigen können. Hierin liegt ein Vorteil der erfindungsgemäßen Membranbetten.
2 zeigt schließlich die Aufsicht auf eine Membranbett eins Druckmittlerkörpers 11. Genauer sind Scheitellinien von den Konturelementen des Membranbetts dargestellt. In diesem Fall umfasst die Kontur vier Spiralarme 12 welche sich von einem Zentralbereich des Membranbetts zu dessen Rand erstrecken. Im Zentralbereich des Membranbetts mündet eine Bohrung 13, über welche die hydraulische Druckübertragung erfolgt. Bei diesem Membranbett ist innerhalb eines jeden Konturelements ein radialer Fluss der Übertragungsflüssigkeit vom Zentralbereich zum Randbereich möglich. Es ist jedoch offensichtlich, dass eine solche Kontur nicht mittels Drehen realisiert werden kann, da keine Rotationssymmetrie vorhanden ist. Erfindungsgemäß lässt sich eine solche Kontur jedoch ohne weiteres durch Senkerodieren herstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005035931 A1 [0002]
- DE 102005027035 A1 [0002]
- DE 102005002658 A1 [0002]
- DE 102004028381 A1 [0002]
- DE 20311320 U1 [0002]
- DE 10341659 A1 [0002]
- DE 10200779 A1 [0002]
- DE 20305869 U1 [0002]
- DE 3889914 T2 [0002]
- DE 69015367 T2 [0002]
- DE 000010318069 A1 [0026]
- WO 002001090712 A1 [0026]

Claims

Membranbett für einen Druckmittler, umfassend: einen Membranbettkörper, welcher eine Oberfläche mit einer Kontur aufweist, die geeignet ist als Prägevorlage für eine Trennmembran eines Druckmittlers zu dienen und eine abgeprägte Trennmembran abzustützen, wobei die Kontur erhalten ist durch einen Fertigungsschritt der Senkerodierung umfasst.
Membranbett nach Anspruch 1, wobei die Senkerodierung nach einer Herstellung von Wellenzügen mittels Drehen erfolgt ist.
Membranbett nach Anspruch 1, wobei die Kontur vollständig mit Senkerodierung hergestellt ist.
Membranbett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontur des Membranbetts zumindest abschnittsweise nicht rotationssymmetrisch ist
Membranbett nach Anspruch 4, wobei das Membranbett zumindest abschnittsweise eine spiralförmige Kontur umfasst.
Membranbett nach Anspruch 4, wobei die Kontur zumindest abschnittsweise in Radialrichtung durchbrochene, ringförmige Wellenzüge aufweist.
Membranbett nach Anspruch 6, wobei die radialen Durchbrüche zwischen einem Wellenzug und dessen radial auswärts benachbarten Wellenzug einerseits sowie dem Wellenzug und dessen radial einwärts benachbarten Wellenzug andererseits gegeneinander entlang der Verlaufsrichtung der Wellenzüge gegeneinander versetzt sind.
Druckmittler, umfassend: eine flexible metallische Trennmembran, die an einer Oberfläche eines metallischen Druckmittlerkörpers unter Einschluss einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper mittels einer umlaufenden Fügenaht, insbesondere Schweißnaht, druckdicht befestigt ist, wobei die Druckkammer in einem Oberflächenabschnitt des Druckmittlerkörpers ein Membranbett gemäß eines der vorhergehenden Ansprüche aufweist, auf dem die Trennmembran abgeprägt ist, und wobei die Druckkammer eine Öffnung aufweist zur Übertragung eines über die Trennmembran in die Druckkammer eingeleiteten Drucks über einen hydraulischen Pfad mittels einer Übertragungsflüssigkeit.
Druckmessumformer, umfassend: einen Druckmittler nach Anspruch 8 und einen Drucksensor mit einem druckempfindlichen, elastischen Verformungskörper und einem Wandlerelement zur Ausgabe eines von einer Verformung des Verformungskörpers abhängigen elektrischen oder optischen Signals, wobei die Druckkammer über einen hydraulischen Pfad, welcher eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Leitung umfasst, mit dem Verformungskörper des Drucksensors hydraulisch gekoppelt ist.