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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbindung eines Messgeräts mit einem das zu messende Medium enthaltenden Behältnis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur lösbaren und dichten Verbindung von zwei medienführenden Teilen, insbesondere Rohrleitungen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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In der Automatisierungstechnik werden häufig Messgeräte eingesetzt, die zur Überwachung eines Mediums bzw. der Eigenschaft eines Mediums dienen. Dabei wird häufig der Füllstand, der Druck oder die Temperatur des Mediums in einem Behältnis gemessen. Meist bestehen solche Messgeräte aus einem als Prozessanschluss bezeichneten Unterteil und einem darauf aufgesetzten Gehäuse als Oberteil, das vorrangig zum Schutz des Sensors und der dazu gehörenden Elektronik dient. Der Prozessanschluss stellt so die Verbindung des Messgeräts mit einem Behälter oder einer Rohrleitung bzw. einem Anschlussstutzen her und beinhaltet meist das Sensorelement selbst. Das Sensorelement ist bspw. bei Druckmessgeräten als piezoresistive oder kapazitive Messzelle ausgeführt.
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Um das Messgerät an die Anlage bzw. den Behälter, in der bzw. dem sich das zu messende Medium befindet, anzuschließen, haben sich stutzenartige Adapter als vorteilhaft erwiesen, wie sie bspw. in der deutschen Patentschrift
DE 196 28 551 B4 beschrieben sind. Diese Adapter weisen ein sich in axialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch und einen in diesem Durchgangsloch befindlichen umlaufenden, als Federsteg ausgebildeten Dichtsteg auf. Üblicherweise wird das Messgerät in den Adapter eingeschraubt, wobei die untere Seite des Messgeräts, d.h. der Prozessanschluss, an dem umlaufenden Dichtsteg anliegt. Durch die Einschraubung des Messgeräts mit einem vorgegebenen Drehmoment kann der Anpressdruck zwischen Prozessanschluss und Dichtsteg des Adapters definiert werden.
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Als vorteilhaft hat sich bislang herausgestellt, die Verbindung zwischen Prozessanschluss und Adapter ohne zusätzliches Dichtelement zu realisieren. In diesem Fall bilden die Berührungsflächen von Prozessanschluss und Adapter eine Metall-Metall-Dichtung. Durch die Vorspannung des als Federsteg wirkenden Dichtstegs wird ein „Kraftpuffer“ erzeugt, der dynamisch auf Druck- und Temperaturschwankungen reagieren kann.
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Alternativ können zusätzliche Dichtelemente eingesetzt werden, wobei insbesondere Elastomer-Dichtungen in Frage kämen. Allerdings haben Elastomer-Dichtungen auch entscheidende Nachteile, insbesondere hinsichtlich der Beständigkeit der drei Haupteinflussfaktoren: Druckwechsel, Temperaturschwankungen, chemische Beständigkeit. Es können z.B. vergleichsweise große Volumenänderungen auftreten, Veränderungen in deren Struktur oder Oberflächenbeschädigungen und damit eine geringe Lebensdauer. Elastomer-Dichtungen müssen demnach insbesondere aus Alterungsgründen regelmäßig getauscht werden. Bei Elastomerdichtungen kann gegenüber den abzudichtenden Bauteilen nur eine relativ niedrige Verpressung zum Produktraum hin aufgebaut werden. Bei Elastomer-Dichtungen hat sich allgemein die Ausführung als O-Ring als vorteilhaft herausgestellt. Aufgrund des kreisrunden Querschnitts wird im eingebauten Zustand durch die radiale Vorspannung eine gleichmäßige Kraftverteilung innerhalb des Dichtungsrings erreicht. O-Ringe sind imkompressibel, aber in sich elastisch.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten Anordnungen mit einem Dichtelement derart auszugestalten, dass trotz einwirkender Druck- und Temperaturschwankungen eine langzeitstabile und optimiert reinigbare Verbindung zwischen Adapter und Messgerät, d.h. Prozessanschluss, bzw. zwischen zwei medienführenden Teilen gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß jeweils durch eine im Anspruch 1 und Anspruch 5 genannte Anordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist das Messgerät bzw. der Prozessanschluss an seinem unteren Ende einen Bereich zur Aufnahme des Dichtelements auf, wobei dieser Bereich vorzugsweise als umlaufende Nut ausgeführt ist. Vorteilhafterweise besitzt der Bereich bzw. die Nut eine Hinterschneidung, damit der eingesetzte Dichtring nicht herausfallen kann.
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Der Dichtfedersteg mit federelastischen Eigenschaften ist vorzugsweise konisch ausgestaltet, zumindest an einem äußeren Bereich, was zur Folge hat, dass der Dichtfedersteg ein im Verhältnis zu seiner maximalen Dicke schmales Ende aufweist. Dieses Ende berührt das Dichtelement und stellt somit einen wichtigen Teil dar, um eine dichte Verbindung zwischen Adapter und Prozessanschluss bzw. Dichtelement herzustellen. Die äußere Gestaltung des konischen Endes des Dichtfederstegs muss demnach einerseits möglichst spitz zulaufen, um die Berührungsfläche mit dem Dichtelement so klein wie möglich zu machen, was den Anpressdruck an dieser Stelle erhöht, und andererseits aber das Dichtelement nicht einschneiden lässt. Als vorteilhaft hat sich daher eine runde Ausgestaltung des äußeren Endes herausgestellt. Der Radius liegt vorzugsweise im Bereich 0,1 mm ± 0,03 mm. Denkbar ist auch die Realisierung als Ringfläche.
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Durch die geringe Berührungsfläche zwischen dem äußeren Ende des Federstegs und dem Dichtelement, die aufgrund der ringförmigen Gestalt des Dichtelements eine quasi linienförmige Form hat, wird in diesem Bereich des gesamten Dichtelements eine maximale Verpressung erreicht. Erfindungsgemäß ist dieser Bereich an einer dem Medium zugewandten Stelle angeordnet. Diese schmale Berührungsfläche zwischen Federsteg und Dichtelement stellt besondere Anforderungen an das Dichtmaterial. Damit das Dichtelement dem großen Druck widerstehen kann, ohne dass es zu Relaxations- und Kriech- bzw. Fließerscheinungen kommt, besteht das Dichtelement aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur – ca. 23°C – wenigstens 500 MPa beträgt. An dieser Stelle sei bemerkt, dass alternativ zur Maßeinheit „MPa“ ohne Umrechung auch „N/mm2“ eingesetzt werden kann. Diese Materialvorgabe ist notwendig, damit sich das Dichtelement auch bei größeren Druck- bzw. Krafteinflüssen nicht verformt. Es bleibt in seiner ursprünglichen Form erhalten und wird den einwirkenden Kräften nicht nachgeben.
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Der Adapter besteht aus einem nichtrostenden Stahl, z.B. Edelstahl (V4A, V2A), dessen Elastizitätsmodul im Bereich 170.000 MPa bis 230.000 MPa liegt. Somit ergibt sich die Situation, dass das Dichtelement aus einem im Vergleich zum Adapterwerkstoff steiferen oder weniger steiferen Material besteht. Im ersten Fall-Dichtmaterial ist steifer als Adapterwerkstoff – liegt der E-Modul bevorzugt zwischen 250.000 MPa und 450.000 MPa, weiter bevorzugt zwischen 300.000 MPa und 400.000 MPa und besonders bevorzugt zwischen 320.000 MPa und 380.000 MPa. Im anderen Fall-Dichtmaterial ist weniger steif als Adapterwerkstoff – liegt der E-Modul bevorzugt zwischen 500 MPa und 35.000 MPa, weiter bevorzugt zwischen 1.500 MPa und 7.000 MPa und besonders bevorzugt zwischen 2.500 MPa und 4.500 MPa.
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Wesentlich für die Beschaffenheit des Dichtmaterials ist, dass ein optimaler Kraftverlauf zwischen Dichtsteg und Prozessanschluss ermöglicht wird. Als besonders geeignet hat sich Polyetheretherketon (PEEK) herausgestellt. PEEK ist chemisch sehr stabil und weist bei typischen Belastungsarten und Temperaturbereichen, bspw. in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, keine Fließeigenschaften auf. Da es auch für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie zugelassen ist (FDA-Zulassung), hebt es sich in der Praxis von anderen, ebenfalls geeigneten hochwertigen Kunststoffen ab. Grundsätzlich ist auch Polytetrafluorethylen (PTFE) denkbar, wobei PTFE allerdings speziell gekammert – z.B. durch einen Metallmantel o.dgl. – werden muss, um die große Kriechneigung zu unterbinden. Bestimmte Modifikationen von PTFE, z. B. durch Faserverstärkung, können dieses Material verstärken. Aufgrund der insbesondere sehr guten chemischen Beständigkeit ist PTFE aber ein an sich sehr geeignetes Dichtmaterial. Auch Dichtringe aus einem Metall sind grundsätzlich als Dichtelement denkbar. Bei den Materialen, die steifer als der Adapterwerkstoff sind, eignen sich besonders Keramiken und Graphite.
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Vorteilhafterweise ist die lösbare Verbindung zwischen Messgerät und Adapter durch eine Schraub- und/oder Flansch- und/oder Klemmverbindung realisiert. Die Schraubverbindung wird durch ein am Prozessanschluss vorgesehenes Außengewinde und ein am Adapter vorgesehenes Innengewinde hergestellt. Bei den Flansch- und Klemmverbindungen sind jegliche Rast-, Steck- und Klemmvorrichtungen denkbar, mit denen der Prozessanschluss innerhalb des Adapters lösbar aber fest verbunden werden kann.
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Die feste Verbindung ist notwendig, da der Prozessanschluss über das Dichtelement eine axial gerichtete Kraft auf den Federsteg ausübt, um diesen vorzuspannen. Somit fungiert der Federsteg als dynamischer Kraftpuffer, der situativ auf äußere, die Dichtwirkung beeinflussende Einflüsse, reagieren kann. Entweder die Vorspannung wird weiter erhöht oder die Vorspannung wird geringer, wodurch aber immer noch sichergestellt ist, dass der vom Federsteg ausgehende Anpressdruck auf das Dichtelement groß genug ist, um eine dauerhafte Dichtwirkung zu gewährleisten. Bevorzugt wird die Vorspannung definiert durch eine am Prozessanschluss vorgesehene umlaufende, schulterartige Erstreckung. Durch diese nach außen gerichtete Erstreckung schlägt der Prozessanschluss an dem Adapter an, wodurch die Einschub- bzw. Einschraubtiefe – je nach Art der lösbaren Verbindung – begrenzt wird. Im Falle einer Schraubverbindung muss die Einschraubtiefe und damit die Vorspannung des Federstegs nicht über ein vorgegebenes Anzugsmoment definiert werden, sondern wird durch den konstruktiven Aufbau der Anordnung selbst vorgegeben.
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Besonders vorteilhaft genügt die Anordnung hinsichtlich der Hygiene den Anforderungen der Lebensmittelindustrie, z.B. den Kriterien der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG). Von besonderer Bedeutung sind hierbei die EHEDG-Vorschriften in den Dokumenten 2, 8, 10 und 16. Hintergrund dieser Richtlinien ist, dass in der Lebensmittelindustrie verwendete Messgeräte rückstandsfrei durch automatisierte Reinigungsprozesse reinigbar sein müssen. D.h. die Messgeräte, die an eine Anlage, bspw. über einen Flansch, oder an eine Rohrleitung angeschlossen sind, werden an den medienführenden Teilen durch Reinigungsmittel, die durch die Rohrleitungen strömen, von jeglichen störenden Substanzen gereinigt. Diese Reinigungsprozesse sind notwenig, um zum einen eine Keim- und Bakterienbildung zu vermeiden und um grundsätzlich verschiedene Substanzen, d.h. Lebensmittel, durch die gleiche Anlage strömen lassen zu können. Nach einem solchen Reinigungsprozess muss ohne Sichtung gewährleistet sein, dass sich keine Anhaftungen mehr in den Rohrleitungen und damit auch an den medienführenden Teilen der angeschlossenen Messgeräte befinden. Dazu muss insbesondere eine Spalt- und Totraumfreiheit garantiert werden, was durch die EHEDG-Zertifizierung nachgewiesen werden kann.
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Vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind Messgeräte, insbesondere zur Messung einer Prozessgröße, die an eine Industrieanlage, z.B. in Molkereien und Brauereien, bis hin zu pharmazeutischen Anlagen angeschlossen werden und dabei besonderen Anforderungen ausgesetzt sind hinsichtlich Temperatur- und Druckschwankungen, Änderung des zu messenden Mediums und automatischen Reinigungsprozessen unter zertifizierten hygienischen Bedingungen. Unter Prozessgröße sind alle physikalischen Größen zu verstehen, die für die Prozessmesstechnik interessant sind, insbesondere die Größen Druck, Temperatur, Strömung bzw. Durchfluss und Füllstand.
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Als medienführende Teile im Sinne der Anmeldung werden alle mit Medien, wie Flüssigkeiten oder Gasen in Kontakt stehende oder medientransportierende Vorrichtungen, wie Rohre, Behälter, Formstücke, Ventile o. dgl., verstanden. Verbindungen für medienführende Teile sind demnach Verbindungen zwischen Rohren, Behältern o. dgl. Unter Behältnis werden insbesondere Behälter, Rohrleitungen etc. verstanden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die lösbare und dichte Verbindung von zwei medienführenden Teilen, wobei hier insbesondere Rohrleitungen oder Armaturen, wie bspw. Ventile, gemeint sind. In derselben Weise, wie die Erfindung für die Kopplung von Messgeräten mit einer Industrieanlage unter den zuvor beschriebenen Bedingungen angewendet werden kann, ist die Erfindung auch für die Verbindung zweier medienführenden Teile anwendbar. Wenn bspw. zwei Rohrleitungen in einer Anlage der Lebensmittelindustrie miteinander insbesondere lösbar verbunden werden sollen, werden an diese Verbindung spezielle Anforderungen gestellt, die durch die Erfindung erfüllt werden. Das Wesentliche ist auch hier, dass in einem Bereich am Ende des Federstegs die maximale Verpressung erreicht wird, der sich aufgrund der ringförmigen Gestalt des Dichtelements quasi linienförmig darstellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf weitere Ausführungen verzichtet und auf die entsprechenden Passagen der vorherigen Ausführung verwiesen, die analog Anwendung finden.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es zeigen:
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1 erfindungsgemäße Anordnung aus Messgerät mit Prozessanschluss, teilweise geschnitten, und einem Adapter, in Längsschnittdarstellung, vor dem Zusammenfügen, ohne Dichtelement,
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2 Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Adapter mit eingeschraubtem Prozessanschluss eines Messgeräts als erstes Ausführungsbeispiel für den ersten Aspekt der Erfindung,
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3 Ausschnitt aus 2, der die Lage des eingesetzten Dichtrings vergrößert darstellt,
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4 Längsschnitt durch Wandung einer Anordnung zur Verbindung zweier Rohrleitungen mit Dichtring als Ausführungsbeispiel für den zweiten Aspekt der Erfindung,
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5 Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Messgerät mit Prozessanschluss mit erster Anschlagmöglichkeit als zweites Ausführungsbeispiel,
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6 Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Messgerät mit Prozessanschluss mit zweiter Anschlagmöglichkeit als drittes Ausführungsbeispiel,
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7 Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung aus Messgerät mit Prozessanschluss mit dritter Anschlagmöglichkeit – spezielle Ausgestaltung des Dichtringes – als viertes Ausführungsbeispiel – und
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8 FEM-Darstellung der Spannungsverläufe zwischen Dichtfedersteg des Adapters, Dichtelement und Prozessanschluss.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt zum einen ein Messgerät 1 für die Prozessmesstechnik, im vorliegenden Fall ein Druckmessgerät, das im Wesentlichen in einen Prozessanschluss 100 und einen darauf aufgesetzten Gehäuse 2 unterteilt werden kann. Auch wenn hier beispielhaft ein Druckmessgerät angeführt ist, so ist die Erfindung jedoch nicht auf ein solches Messgerät beschränkt, sondern kann jegliche Messgeräte der eingangs genannten Art, insbesondere Temperatur-, Strömungs- und Füllstandsmessgeräte, umfassen. Der Prozessanschluss 100 weist äußerlich einen Sechskant 101 als Schlüsselfläche, eine umlaufende und sich nach außen erstreckende Anschlagsvorrichtung 110 und ein Außengewinde 150 auf. Einzelheiten hierzu werden in den folgenden Figuren näher beschrieben. Wenn im Folgenden nur von einer Gewindeverbindung zwischen Messgerät 1 und Adapter 200 gesprochen wird, so stellt dies lediglich eine bevorzugte Ausführung dar. Selbstverständlich sind alle Arten bekannter Verbindungstechniken, wie bspw. Rast- und Kupplungsverbindungen denkbar.
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Der Prozessanschluss
100 ist bevorzugt aus Edelstahl (V4A, V2A) ausgeführt, da Edelstahl für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie sehr gut geeignet ist. Durch den kleinen Ausschnitt in Form einer Schnittdarstellung unten links ist die Messzelle
3 und die Lage dieser Messzelle
3 auf den Dichtfedersteg
130 des Messgeräts
1 zu sehen. Ausführliche Informationen diesbezüglich sind der eingangs genannten deutschen Patentschrift
DE 196 28 551 B4 zu entnehmen. Des Weiteren ist durch das Schnittbild die umlaufende Nut
140 zu sehen, in die ein Dichtring einsetzbar ist.
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Des Weiteren zeigt 1 in axialer Verlängerung zum Messgerät 1 einen Adapter 200, der wie im vorliegenden Fall eine Hälfte einer Clamp-Klemmverbindung sein kann. Die Erfindung ist hierbei aber nicht auf Clamp-Klemmverbindungen beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle vergleichbaren Adapter- oder Flanschvorrichtungen. Auch der Adapter 200 ist aufgrund der Anwendungen in der Lebensmittelindustrie bevorzugt aus Edelstahl (V4A, V2A) ausgeführt, wobei prinzipiell auch sehr harte Kunststoffe denkbar sind. Auf der Unterseite des Adapters 200 befindet sich eine umlaufende Nut 220, in die eine Flachdichtung mit einer beidseitigen Erhöhung eingesetzt werden kann. Diese Erhöhungen greifen dann in die Nuten 220 ein und verhindern dadurch das Verrutschen der Flachdichtung, wenn das Gegenstück entsprechende
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Vorkehrungen aufweist, bspw. wenn zwei gleichartige Adapter 200 entgegengesetzt zueinander angeordnet werden sollen. Weiterhin ist der umlaufende Dichtfedersteg 210 zu sehen, der im freitragenden Bereich eine Länge im Bereich von bevorzugt 2–8 mm aufweist, wobei er durchaus auch länger sein kann. Die Innenwand des Adapters 200 weist ein Innengewinde 230 auf, in das beim Einschrauben des Messgeräts 1 das Außengewinde 150 des Prozessanschlusses 100 eingreifen kann. Um die Möglichkeit des Ineinanderschraubens zu verdeutlichen befinden sich Messgerät 1 und Adapter 200 in gleicher Flucht. Es ist daher gut vorstellbar, wie das Messgerät 1 in den Adapter 200 eingeschraubt werden kann.
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Wenn das Messgerät 1 weit genug in den Adapter 200 eingeschraubt wurde, berührt das Dichtelement 300 (3) den Dichtfedersteg 210. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften des Dichtstegs 210 kann er im Bereich von wenigen zehntel Millimetern, bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,3 mm in axialer Richtung vorgespannt werden. Eine Begrenzung der maximalen Einschraubtiefe – und damit die Einstellung der gewünschten Vorspannung des Dichtfederstegs 210 – erfolgt durch die umlaufende Anschlagsvorrichtung 110 am oberen Rand des Prozessanschlusses 100. Sie muss somit nicht mehr beim Einschraubvorgang über ein vorgegebenes Drehmoment eingestellt werden.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in 2 bzw. 3 gezeigt. Hierbei wird ein Dichtring 300 mit einem vorzugsweise nahezu rechteckförmigen Querschnitt, aber auch jeden anderen Querschnitt, bspw. aus Polyetheretherketon (PEEK), in die Nut eingesetzt. PEEK hat den Vorteil, dass es hochtemperaturbeständig ist, vergleichsweise kriechbeständig ist und insgesamt gute Dichteigenschaften hat. Darüber hinaus ist PEEK spritzgießbar, wodurch die Dichtringe fertigungstechnisch einfach herstellbar sind. Grundsätzlich ist auch Polytetrafluorethylen (PTFE) denkbar, da dessen chemische Beständigkeit gegenüber PEEK besser ist. PTFE würde allerdings, sofern es nicht durch spezielle Füllstoffe stabilisiert wird, wegen seiner Kriechneigung einen speziell darauf angepassten konstruktiven Aufbau des Prozessanschlusses 100 und/oder des Adapters 200 bedingen. Wenn die Nut bspw. durch eine Kapselung o. dgl. derart gestaltet ist, dass das PTFE-Ring nicht wegkriechen kann, wäre PTFE auch als Dichtmaterial denkbar. Auch könnte der PTFE-Dichtring selbst gekapselt sein. Des Weiteren kann jeder andere formstabile und chemisch weitgehend stabile Werkstoff mit größerer Elastizität als der Grundwerkstoff „Edelstahl“ grundsätzlich als Dichtungsmaterial in Erwägung gezogen werden. Graphit und Keramik wären hier insbesondere zu bevorzugen.
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Der mittig vorstehende Rand an der Außenseite des PEEK-Rings 310 dient zum Ansetzen eines Hebels, bspw. eines Schraubendrehers, um den PEEK-Ring 310 wieder aus der Nut 140 entfernen zu können. Aufgrund der Hinterschneidung der Nut 140 und der Tatsache, dass PEEK nicht bzw. kaum elastisch ist, ist der Dichtring 310 auf dieses Weise wieder aus der Nut 140 entfernbar, ohne ihn zu zerstören bzw. ohne die Dichtflächen zu zerkratzen. Alternativ könnte die Aufnahmenut des PEEK-Ringes so gestaltet werden, dass von der rückwärtigen Seite her eine zum Abheben des Ringes notwendige Kraft aufgebracht werden kann.
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Vor dem Zusammenschrauben wird der PEEK-Dichtring 310 in die Nut 140 eingesetzt. Während des Einschraubens des Messgeräts 1 in den Adapter 200 berührt der PEEK-Ring 310 als erstes den Federsteg 210 des Adapters 200. Da der PEEK-Ring 310 quasi nicht elastisch ist, gibt er die durch das Einschrauben entstehende Kraft axial an den Federsteg 210 weiter, was zu dessen Durchbiegung bzw. Vorspannung führt. 3 zeigt deutlich, wie sich der Federsteg 210 des Adapters 200 und der Dichtring 310 berühren und damit eine dichte Verbindung erzeugen. Die maximale Einschraubtiefe wird in diesem Fall über den oberen Anschlag 110 erreicht.
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Wenn das Messgerät nun soweit eingeschraubt wurde, dass der obere Anschlag 110 auf dem Adapter 200 aufliegt, hat sich der Federsteg 210 etwas nach unten gebogen und wirkt somit als dynamischer Energiespeicher. Denn sollte die Dichtung 300 bspw. durch Materialermüdung oder durch Temperatureinflüsse nachgeben oder sich ausdehnen, kann dadurch die für eine dauerhafte Dichtigkeit erforderliche Kraft zwischen der Dichtung 300 und deren Auflageflächen mit dem Adapter 200 bzw. dem Prozessanschluss 100 permanent gewährleistet werden. Dieser Effekt ist einer der zentralen Gedanken dieser Erfindung, wodurch sich diese Beschreibung auch auf die folgenden Ausführungsbeispiele übertragen lässt. Über die Dimensionierung des Federstegs 210 hinsichtlich Länge und Dicke, insbesondere die Tiefe des umlaufenden Einschnitts oberhalb des Federstegs 210 lässt sich die Federeigenschaft, d.h. Federweg und Federkraft des Dichtstegs 210 beeinflussen.
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4 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips zur Verbindung zweier hier nicht näher dargestellten Rohrleitungen. Der Adaption 200a, die die Verbindung herstellt, ist dabei unterteilt in einen ersten Teil 201a und einen zweiten Teil 202a. Beide Teile 201a, 202a werden als Verlängerung der Rohrleitungen auf diese aufgesetzt bzw. sind ein Teil derselben, wobei die Verbindung zwischen Adapterteile 201a, 202a und den Enden der Rohleitungen vorzugsweise durch Verschweißen erfolgt. Die Adapterteile 201a, 202a sind unterschiedlich aufgebaut, wobei der erste Teil 201a den Dichtfedersteg 210a aufweist. Der Dichtfedersteg 210a ist in diesem Fall in axialer Richtung ausgerichtet. Idealerweise entspricht der Innendurchmesser des Adapters 200a gleich dem Innendurchmesser der Rohrleitung. Aus diesem Grund bietet sich die axiale Ausrichtung des Dichtfederstegs 210a an. Die Funktionalität gegenüber der nach innen gerichteten Ausführung bei der Abdichtung eines Messgeräts ist aber identisch. Der zweite Teil des Adapters 202a weist eine Nut 140a auf, in die ein Dichtring 300, vorzugsweise aus PEEK, eingelegt ist. Da ein wie auch immer gearteter Dichtring von vorne auf die Dichtfläche aufgeschoben werden kann, ohne in eine Hinterschneidung einrasten zu müssen, kann der nasenartige Vorsprung (Dichtkante) dieser Hinterschneidung zum Prozess hin beliebig ausgeformt werden. Außerdem kann die Nut 140a bzw. die Aufnahme für den Dichtring an beiden Teilen des Adapters 201a, 202a erfolgen, der Dichtring 300 kann demnach auch in einer Nut des Federsteges aufgenommen werden.
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Die 5–7 zeigen schematisch verschiedene Alternativen, wie ein Messgerät bzw. dessen Prozessanschluss 100c, 100d, 100e mit dem Adapter 200c, 200d, 200e zusammenwirken kann, wobei hier ein besonderer Schwerpunkt auf verschiedene Ausführungen eines Anschlags zur Begrenzung der Einschraubtiefe liegt. Das für das Einschrauben notwendige Gewinde ist als Außengewinde 150 und Innengewinde 230 angedeutet. Grundsätzlich kann die Einschraubtiefe über eine Drehmomentbegrenzung oder über einen mechanischen Anschlag realisiert werden. Nachteilig bei der Drehmomentbegrenzung ist, dass spezielles Werkzeug, bspw. Schraubenschlüssel, notwendig ist, um das aufgebrachte Drehmoment zu messen. Alle drei Figuren sollen die quasi linienförmige Verpressung des Dichtung 300c, 300d, 300e verdeutlichen, indem der Prozessanschluss 100c, 100d, 100e an seiner unteren Seite so ausgeformt ist, dass sich keine großflächige Berührung mit der Dichtung 300c, 300d, 300e ergibt, sondern eine möglichst punkt- bzw. linienförmige. Dies soll in den 5–7 schematisch durch die halbrundförmige Aussparung in 5 und 7 sowie der Abschrägung in 6 dargestellt sein.
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In 5 ist der mechanische Anschlag 110c als nach innen gerichtete, stufenförmige Verjüngung des Adapters 200c ausgebildet. Die Stufenfläche ist so ausgebildet, dass der Prozessanschluss 100c während des Einschraubvorgangs in axialer Richtung auf die Stufe anschlägt. Noch bevor die Unterseite des Prozessanschlusses 100c diesen Anschlag, d.h. die Stufe berührt, wird ein Dichtring 300c, 310, der vorzugsweise aus PEEK besteht, berührt. Der Dichtring 300c liegt auf einem Federsteg 210c auf, wie er bereits näher erläutert wurde. Ohne den eingeschraubten Prozessanschluss 100c liegen die obere Fläche des Dichtrings 300c und die Stufe nicht wie in 5 gezeigt in einer Flucht, sondern der Dichtring 300c ist leicht erhöht, wodurch es beim Einschrauben des Prozessanschlusses 100c als erstes zu einer Berührung mit dem Dichtring 300c kommt. Trotz der Berührung des Prozessanschlusses 100c mit dem Dichtring 300c kann der Prozessanschluss 100c weiter in den Adapter 200c eingeschraubt werden. Dadurch kommt es zu einer Durchbiegung und somit auch zu einer Vorspannung des Federstegs 210c. Die beiden dargestellten Pfeile sollen verdeutlichen, wie sich der Federsteg 210c nach dem Einschrauben des Prozessanschlusses 100c bis zum Anschlag 110c in beide Richtungen bewegen kann, je nachdem in welche Richtung ein Nachspannen bzw. Korrigieren erforderlich ist. Die Montagekräfte können auf diese Weise optimal begrenzt werden und der Federsteg 210c bleibt in beide Richtungen elastisch.
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6 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform aus 5, mit dem Unterschied, dass der Anschlag 110d hierbei in den oberen Bereich des Adapters 200d verlegt ist. Der Prozessanschluss 100d schlägt, wie in 6 dargestellt, mit einer umlaufenden, nach außen ragenden schulterartigen Erstreckung erst an, wenn der Federsteg 210d entsprechend vorgespannt ist. Der Federsteg 210d kann, wie schon in 5 gezeigt, in beide Richtungen nachspannen bzw. korrigieren.
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In 7 wirkt der Dichtring 300e selbst als Anschlag 110e. Beim Einschrauben des Prozessanschlusses 100e in den Adapter 200e wird der Dichtring 300e auf einer vergleichsweise großen Fläche berührt. Beim weiteren Einschrauben wird der Federsteg 210e auf die bereits mehrfach beschriebene Weise vorgespannt. Die maximale Einschraubtiefe ist erreicht, wenn der sich zwischen Prozessanschluss 100e und Adapter 200e befindliche Teil des Dichtrings 300e einen Widerstand darstellt, der mit für die Anwendung gebräuchlichen Mitteln nicht überwindbar ist. PEEK eignet sich hierbei hervorragend als Material für den Dichtring 300e, da PEEK eine zu vernachlässigende Kriechneigung hat und daher der einwirkenden Kraft nicht durch Materialfließen nachgibt, sondern ihr einen Widerstand entgegensetzt. Über das Querschnittsprofil des Dichtrings 300e, d.h. die Gestaltung der Abstufung, kann der Federweg des Federstegs 210e definiert werden. Auch bei dieser Ausführungsform bleibt der Federsteg 210e in beide Richtungen flexibel.
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8 stellt eine Darstellung nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) dar. Die sehr stark vergrößerte Schnitt-Darstellung zeigt links das äußere Ende des Dichtfederstegs 210, rechts davon das Dichtelement 310, in diesem Fall aus Polyetheretherketon (PEEK), und am rechten Rand ein Teil des Prozessanschlusses 100. Deutlich zu sehen ist die punktförmige Berührung jeweils zwischen Dichtfedersteg 210 und Dichtelement 310, sowie zwischen Dichtelement 310 und Prozessanschluss 100. Der Kraftverlauf erfolgt vorteilhafterweise konzentriert linienförmig durch das Dichtelement 310 auf dem kürzesten Weg und beinhaltet überwiegend horizontal gerichtete Vektoranteile. Die macht die Wahl eines Dichtmaterials mit vergleichsweise hohem Elastizitätsmodul notwendig, was – wie bereits beschrieben – insbesondere von Polyetheretherketon (PEEK) erfüllt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Messzelle
- 5
- Steckerbuchse
- 100, 100b
- Prozessanschluss
- 101
- Sechskant
- 110, 110b. 110c, 110d, 110e
- Anschlag
- 130, 130b
- Dichtfedersteg (des Messgeräts)
- 140, 140a, 140b
- Nut
- 150
- Außengewinde
- 200, 200a, 200b, 200c, 200d, 200e
- Adapter
- 201a
- erster Teil des Adapters
- 202a
- zweiter Teil des Adapters
- 210, 210a, 210b, 210c, 210d, 210e
- Dichtfedersteg (des Adapters)
- 220
- Nut
- 230
- Innengewinde
- 300, 300b, 300c, 300d, 300e
- Dichtung
- 310
- Dichtring aus Polyetheretherketon (PEEK)
