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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät für die Prozessmesstechnik, einen Adapter sowie eine Anordnung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1, 4, 5 und 6.
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In der Automatisierungstechnik werden häufig Messgeräte eingesetzt, die zur Überwachung eines Mediums bzw. der Eigenschaft eines Mediums dienen, wie z. B. des Druckes oder der Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Gases. Meist bestehen solche Messgeräte aus einem als Prozessanschluss bezeichneten Unterteil und einem darauf aufgesetzten Gehäuse, das vorrangig zum Schutz des Sensors und der dazu gehörenden Elektronik dient. Der Prozessanschluss stellt die Verbindung des Messgeräts mit einem das Medium führenden Behälter oder Rohrleitung bzw. einem Anschlussstutzen her und beinhaltet meist das Sensorelement selbst. Das Sensorelement ist z. B. bei Druckmessgeräten als piezoresistive oder kapazitive Messzelle ausgebildet und bei Temperaturmessgeräten als Pt100-Widerstandselement.
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Ein großes Problem – insbesondere aufgrund der verschiedenen Anforderungen an die Messzellen, wie große Druckbereiche, chemische Beständigkeit usw. – ist die effektive Abdichtung zwischen Messzelle und Prozessanschluss. Hierzu macht die deutsche Patentschrift
DE 196 28 551 B4 den Vorschlag, zwischen der medienseitigen Stirnfläche der Druckmesszelle und einer axialen Anschlagfläche des Sensorgehäuses axial eine ringförmige Flachdichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) einzuspannen, wobei die axiale Anschlagfläche als federelastischer Dichtsteg ausgebildet ist.
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Ein ähnlich gelagertes Problem hinsichtlich der Abdichtung ist auch zu lösen, wenn ein Messgerät mit einem flanschartigen Adapter verbunden wird, um es bspw. mit einem flanschartigen Anschlussstutzen einer Rohrleitung zu verbinden. Hierfür bieten sich z. B. Clamp-Klemmverbindung nach DIN 32676 an, wobei dann der oben genannte Adapter eine Hälfte dieser Clamp-Klemmverbindung wäre, in die das Messgerät eingeschraubt wird. Insbesondere bei Anwendungen in der Lebensmittelindustrie stellen strenge Auflagen u. a. die Bedingung, eine Totraumfreiheit zu gewährleisten und dass keinerlei Substanzen hinter die Abdichtung gelangen, wodurch sich Bakterien, Keime und dergleichen entwickeln können. Eine so genannte Crosskontamination ist in jedem Fall zu vermeiden. Folglich wird an eine Verbindung zwischen Messgerät bzw. Prozessanschluss und Adapter und somit auch an deren Abdichtung zueinander die Anforderung gestellt, diese Auflagen zu erfüllen.
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Ebenfalls aus der deutschen Patentschrift
DE 196 28 551 B4 ist der Vorschlag zu entnehmen, dass – ähnlich wie bei der Abdichtung zwischen Druckmesszelle und Prozessadapter – der Adapter einen umlaufenden Dichtfedersteg aufweist, der federelastische Eigenschaften besitzt. Dieser Dichtfedersteg übt nach dem Einschrauben des Messgeräts in den Adapter eine axiale Kraft gegen das Messgerät aus und erzeugt mit seinem inneren äußeren Ende und dem Prozessanschluss eine Metall-Metall-Dichtung. Um die Einschraubtiefe des Messgeräts in den Adapter zu begrenzen und damit auch auf die Dichtwirkung der Metall-Metall-Dichtung Einfluss zu nehmen, weist der Prozessanschluss an seinem oberen, dem Gehäuse des Messgeräts zuweisenden Ende eine umlaufende, schulterartige Erstreckung nach außen auf, gegen die der Adapter im eingeschraubten Zustand anschlägt.
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Verschiedene Anwendungen bringen unterschiedliche Dichtanforderungen mit sich. Die genannte deutsche Patentschrift schlägt vordergründig eine Metall-Metall-Dichtung vor und offenbart die grundsätzliche Möglichkeit, auch separate Dichtelemente, z. B. O-Ringe, zu verwenden. Das Gewährleisten der Totraumfreiheit und das Realisieren der Dichtung zwischen Adapter und Prozessanschluss insbesondere mit separaten Dichtelementen vor dem Hintergrund der Anforderungen aus der Lebensmittelindustrie stellen Schwierigkeiten dar, die aus der Lehre des oben genannten Patents nicht entnehmbar sind. Auch stellen die verschiedenen Dichtelemente, die sich z. B. hinsichtlich ihrer Verformbarkeit unterscheiden, spezielle Anforderungen an den konstruktiven Aufbau von Adapter und/oder dem Prozessanschluss. Vorteilhaft wäre, wenn sowohl Adapter und Prozessanschluss als auch die Dichtelemente frei kombinierbar wären und somit der Prozessanschluss und der Adapter unabhängig vom gewählten Dichtelement universell zum Einsatz kommen können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung aus einem Messgerät oder einem Behälter und einem Adapter, in den das Messgerät oder der Behälter eingeschraubt wird, derart auszubilden, dass deren Abdichtung durch mehrere verschiedene Dichtkonzepte realisiert werden kann, wobei jedes dieser Dichtkonzepte mit demselben Messgerät realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein im Anspruch 1 genanntes Messgerät gelöst, sowie durch einen Adapter nach einem der Ansprüche 4 oder 5 und einer Anordnung nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist das Messgerät bzw. der Prozessanschluss an seinem unteren Ende eine umlaufende Nut auf. Diese Nut ist dafür vorgesehen, dass hier ein Dichtring eingesetzt werden kann, wobei die Nut vorteilhafterweise eine Hinterschneidung besitzt, damit der eingesetzte Dichtring nicht herausfallen kann.
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Das Verwenden eines Dichtrings bildet ein erstes Dichtkonzept, wobei sich noch eine Unterteilung in elastische und nichtelastische Dichtringe vornehmen lässt, da deren Einfluss auf die konstruktiven Vorkehrungen der Anordnung enorm sind. Elastische Dichtringe sind grundsätzlich alle Ringe aus einem Elastomer, insbesondere herkommliche O-Ringe. Sie sind vergleichsweise weich und verpressbar. Dem gegenüber gibt es Dichtringe aus nichtelastischen Materialien, wie z. B. thermoplastische und duroplastische Kunststoffe, Metalle und Keramik. Besonders hervorzuheben sind hier die Materialien Polyetheretherketon (PEEK) und Polytetrafluorethylen (PTFE). Sie lassen sich wenig bis kaum verpressen und sind vergleichsweise hart. Wesentlich für die Beschaffenheit des Dichtmaterials ist, dass ein optimaler Kraftverlauf zwischen Dichtsteg und Prozessanschluss ermöglicht wird. Als besonders geeignet hat sich dabei 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.
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Das untere Ende der Nut bildet eine umlaufende Kante, die somit das untere äußere Ende des Messgeräts bzw. des Prozessanschlusses bildet. Diese Kante wurde erfindungsgemäß abgeschrägt, damit ein diese Kante berührender Dichtsteg eines Adapters oder Flansches, der vorzugsweise federelastische Eigenschaften hat, diese Kante flächig, vorzugsweise linienförmig, berühren kann. Die Kante kann somit auch als Dichtkante bezeichnet werden. Das Berühren des Federstegs mit dieser Kante ist ein zweites Dichtkonzept, da die Abdichtung ohne zusätzliches Dichtelement realisiert wird.
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Der Dichtfedersteg des Adapters 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 bzw. die Dichtkante nicht einschneiden lässt. Nach einem Lösen der Berührung zwischen Dichtfedersteg und Dichtelement bzw. Dichtkante könnte dann aufgrund der Veränderungen auf den Oberflächen wahrscheinlich keine dichte Verbindung mehr wiederhergestellt werden. 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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Vorteilhaft ist es, wenn zwei voneinander unabhängige Anschlagvorrichtungen vorgesehen sind, wobei eine Anschlagvorrichtung eine Kante der Nut ist, in die ein Dichtring eingelegt werden kann. Diese Kante der Nut ist vorzugsweise diametral gegenüber der Dichtkante angeordnet und kann mit der Oberseite des Federstegs in Berührung kommen. Die Berührung wird allerdings nur bei Verwendung eines Elastomers, z. B. O-Ring, als Dichtring erreicht, da sich diese Dichtringe bei ausreichend großer Krafteinwirkung verformen, d. h. verquetschen. Durch die Berührung der Kante der Nut mit dem Federsteg kann zum einen der Federsteg während des Einschraubvorgangs des Messgeräts in den Adapter nach unten gedrückt werden, wodurch sich die Vorspannung ergibt, und zum anderen eine nachgelagerte Metall-Metall-Dichtung realisiert werden, da die Kante dann dicht auf dem Federsteg aufliegt. Wird ein Dichtring aus einem festen, unverformbaren Material verwendet, kommt es vorzugsweise nicht zur Berührung der Kante der Nut mit dem Federsteg, da die durch den Einschraubvorgang des Messgeräts in den Adapter entstehende axial einwirkende Kraft über den Dichtring an den Federsteg weitergegeben wird, die Durchbiegung des Federstegs erfolgt demnach durch die Unverformbarkeit des Dichtrings.
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Die andere Anschlagvorrichtung ist eine umlaufende, schulterartige Erstreckung nach außen, die am oberen, dem Gehäuse des Messgeräts zuweisenden Ende des Prozessanschlusses angeordnet ist. Mit „schulterartig” ist jegliche, den Außendurchmesser des Prozessanschlusses bzw. des Messgeräts vergrößernde Ausbildung gemeint, die dazu dient, die Einschraubtiefe des Messgeräts bzw. des Prozessanschlusses in den Adapter zu begrenzen.
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Durch die konstruktive Gestaltung des Prozessanschlusses, d. h. das Zusammenspiel eines oberen Anschlags, der Nut und dem Federsteg des Adapters, lassen sich mit dem selben Prozessanschluss beide Dichtkonzepte – mit oder ohne zusätzlichem Dichtelement – realisieren, wobei die Art des Dichtelements noch in elastische und nichtelastischer Dichtringe unterschieden werden kann. Lediglich bei dem Dichtkonzept ohne zusätzliches Dichtelement, d. h. eine Metall-Metall-Dichtung, muss der Adapter, um das Fehlen des Dichtrings zu überbrücken, geringfügig verändert werden, wobei aber gleichzeitig die Länge des Federstegs nicht verändert werden darf, um die Federeigenschaften und den damit durch die Federstege erzeugten Anpressdruck bei allen Anwendungsfällen gleich zu halten.
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Auch wenn das Messgerät durch einen Behälter, bspw. eine Rohrleitung, ersetzt werden würde, ließen sich die Vorteile dieser Erfindung realisieren. Dann müsste ein Ende des Behälters ähnlich ausgestaltet sein, wie der oben beschriebene Prozessanschluss eines Messgeräts, d. h. dass eine umlaufende Nut für den Einsatz eines Dichtelements als erstes Dichtkonzept und eine abgeschrägte Dichtkante für die Realisierung einer Metall-Metall-Dichtung zwischen dem Dichtsteg eines Adapters bzw. Flansches und der Dichtkante vorgesehen ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung, die aus einem Adapter mit einem nach innen gerichteten, als Federsteg ausgebildeten Dichtsteg und einem in den Adapter vorzugsweise eingeschraubten Messgerät besteht. Denkbar sind auch Flansch- und/oder Klemmverbindungen. 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. Die Verbindung zwischen dem Adapter und dem Messgerät ist abgedichtet und diese Abdichtung ist durch wenigstens zwei voneinander unabhängige Dichtkonzepte realisierbar. Dabei sind mit Dichtkonzept die Abdichtung mit und ohne Dichtelement gemeint, wobei sich – wie bereits ausführlich erläutert – das Dichten mit Dichtelement weiter in elastische und nichtelastische Dichtungen unterteilen lassen. Jede dieser Dichtelemente erfordert spezielle konstruktive Vorkehrungen am Prozessanschluss, was – wie schon beschrieben – durch das Vorhandensein einer Nut und einer abgeschrägten Dichtkante ermöglicht wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Adapter Teil einer Flansch-, Schraub- oder Clamp-Klemmverbindung ist, insbesondere wenn der Adapter eine Hälfte dieser bekannten Clamp-Klemmverbindung ist. Dann könnte auf einfache und schnelle Weise das Messgerät stabil und dicht mit einer Prozessanlage durch eine Standard-Klemmverbindung verbunden werden.
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Ganz 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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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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Vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind Messgeräte, insbesondere zur Messung einer Prozessgröße, die an eine Industrieanlage, z. B. in Molkereien und Brauereien, bis hin zu Anlagen der Pharmaindustrie 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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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Messgerät mit einem erfindungsgemäßen Prozessanschluss, teilweise geschnitten,
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2 Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Adapters,
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3 Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Adapters mit eingeschraubtem Prozessanschluss, abgedichtet durch einen Dichtring aus PEEK als erstes Ausführungsbeispiel,
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4 Ausschnitt aus 3, der die Lage des eingesetzten PEEK-Rings vergrößert darstellt,
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5 Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Adapters mit eingeschraubtem Prozessanschluss, abgedichtet durch einen O-Ring als zweites Ausführungsbeispiel,
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6 Ausschnitt aus 5, der die Lage des eingesetzten O-Rings vergrößert darstellt,
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7 Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Adapters mit eingeschraubtem Prozessanschluss, abgedichtet durch eine Metall-Metall-Dichtung als drittes Ausführungsbeispiel,
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8 Ausschnitt aus 7, der die Berührung des Dichtstegs mit der Dichtkante vergrößert darstellt,
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9 Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit Federsteg an Prozessanschluss und Adapter,
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10 vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des Ausführungsbeispiels nach 9.
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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 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- und Strömungsmessgeräte, umfassen. Der Prozessanschluss 100 besitzt äußerlich einen Sechskant 101, eine erste umlaufende und sich nach außen erstreckende Anschlagvorrichtung 110 und ein Außengewinde 150. 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, sowie die abgeschrägte Dichtkante
160.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen 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 zwei gleichartige Adapter 200 entgegengesetzt zueinander angeordnet werden sollen. Weiterhin ist der umlaufende Dichtfedersteg 210 zu sehen, der – aus Sicht des Schnittbildes im Durchmesser – eine Länge im Bereich von bevorzugt 2–8 mm aufweist, wobei er durchaus auch länger sein kann. Die Innenwand des Adapters weist ein Innengewinde 230 auf, in das beim Einschrauben des Messgeräts 1 das Außengewinde 150 des Prozessanschlusses 100 aus 1 eingreifen kann. Um die Möglichkeit des Ineinanderschraubens zu verdeutlichen, besitzen 1 und 2 dieselbe Mittelachse und befinden sich somit 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 je nach dem angewendeten Dichtkonzept entweder die Dichtkante 160 des Prozessanschluss 100 (7) den Dichtfedersteg 210 oder das Dichtelement 300 (3), 310, 320 den Dichtfedersteg 210. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften des Dichtstegs 210 kann er im Bereich von wenigen zehntel Millimetern, bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,2 mm in axialer Richtung vorgespannt werden. Eine Begrenzung der maximalen Einschraubtiefe erfolgt durch eine erste umlaufende Anschlagvorrichtung 110 am oberen Rand des Prozessanschlusses 100, teilweise im Zusammenspiel mit einer zweiten Anschlagvorrichtung 120 im Bereich der Nut 140. Das entscheidet sich nach dem jeweils gewählten Dichtkonzept, welche im Folgenden näher beschrieben werden.
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Die bevorzugte Ausführungsform wird in 3 bzw. 4 gezeigt. Hierbei wird ein Dichtring 300, 310 mit einem vorzugsweise nahezu rechteckförmigen Querschnitt, aber auch jeden anderen Querschnitt 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 u. a. 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 Adapter 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. Jeder andere formstabile und chemisch weitgehend stabile Werkstoff mit größerer Elastizität als der Grundwerkstoff „Edelstahl” kann 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. 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 nicht elastisch ist, gibt er die durch das Einschrauben entstehende Kraft axial an den Federsteg 210 weiter, was zu dessen Durchbiegung führt. 4 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, denn wie aus 4 ersichtlich, bleibt zwischen dem Federsteg 210 und dem zweiten Anschlag 120 ein Spalt.
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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 eines 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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Ein zweites Ausführungsbeispiel wird in 5 bzw. 6 gezeigt. Hierbei wird der PEEK-Ring 310 durch einen herkömmlichen Elastomer-O-Ring 320 ersetzt. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschreiben, wird auch hier vor dem Einschrauben des Messgeräts 1 in den Adapter 200 der O-Ring 320 in die Nut 220 eingesetzt. Aufgrund seiner Elastizität kann er trotz der Hinterschneidung leicht aus der Nut 220 wieder entfernt werden. Eine spezielle Gestaltung des Rings 320 wie bei der Ausführung mit PEEK-Ring 310 ist somit nicht erforderlich. Wenn nun allerdings während des Einschraubens der O-Ring 320 den Federsteg 210 berührt, kommt es vorerst nur zu einer geringen axialen Durchbiegung des Federstegs 210, da vorrangig der O-Ring 320 zusammengedrückt wird. Allerdings führt das Zusammenpressen des O-Rings 320 zu einer Verkleinerung des Spaltes zwischen Federsteg 210 und zweitem Anschlag 120. Bei ausreichender Kraft, die durch das Einschrauben erzeugt wird, berühren sie sich, wodurch neben der O-Ring-Dichtung 300, 320 noch eine nachgelagerte metallische Dichtung 340 realisiert wird und der Federsteg 210 noch eine weitere axial gerichtete Kraft erfährt, die nochmals zu dessen Durchbiegung führt. Wie sehr sich der Federsteg 210 durchbiegen lässt hängt wiederum von dessen Dimensionierung hinsichtlich Länge, Dicke und insbesondere von der Tiefe des umlaufenden Einschnitts oberhalb des Federstegs 210 ab. Durch den oberen, ersten Anschlag 110 erfolgt die Begrenzung der maximalen Einschraubtiefe des Messgerätes 1 in den Adapters 200.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen die 7 und 8. Die Dichtung 300 hierbei erfolgt gänzlich ohne separates Dichtelement, sondern nur durch eine metallische Dichtung 330 aufgrund des Anliegens des Federstegs 210 am Prozessanschluss 100 bzw. der Dichtkante 160. Bei dieser Ausführungsform muss der Dichtfedersteg 210 des Adapters 200 etwas weiter nach innen ragen, was bedeutet, dass in diesem Fall nicht derselbe Adapter 200 verwendet werden kann. Der Prozessanschluss 100 hingegen ist für alle Ausführungsformen anwendbar und muss nicht getauscht werden. Der Federsteg 210 verjüngt sich an seinen inneren Enden, was mit der abgeschrägten Form der Dichtkante 160 eine gute Dichtverbindung ergibt. Hierüber wird auch die axial gerichtete Kraft auf den Federsteg 210 ausgeübt, was, wie bereits beschrieben, zu dessen Durchbiegung führt.
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Eine weitere Ausführungsform wird in 9 gezeigt. Das Messgerät bzw. dessen Prozessanschluss 100c und der Adapter 200c weisen hier eine im Durchmesser sehr weit nach außen verlagerte Anschlagvorrichtung 111c auf.
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Im Gegensatz zu den bisher gezeigten Ausführungsformen wird die federelastische Komponente der Dichtungsverbindung aus dem Umfeld der eigentlichen Dichtung 300c mit Nut 140c herausgenommen und in die Verbindungsstelle von Prozessanschluss 100c mit dem Adapter 200c hineinverlagert. Der Flansch des Messgerätes 180c und/oder der Flansch des Adapters 190c wird von der Materialstärke her so ausgelegt, dass er federelastische Eigenschaften besitzt. Diese Kräfte werden so eingestellt, dass an der Dichtung 300c die notwendigen Anpresskräfte erreicht werden, die notwendig sind, um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen und gleichzeitig die durch den Prozessdruck möglichen Druckkräfte inklusive Druckspitzen aufnehmen zu können.
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Wird nun der Flansch des Messgerätes 180c und der Flansch des Adapters 190c am jeweils äußeren Umfang durch ein Befestigungselement, wie z. B. der dargestellten Clamp-Klammer 170c zusammengezogen, liegt der Prozessanschluss 100c mit der eingelegten Dichtung 300c auf der Dichtschräge 221c auf und wird mit zunehmendem Anzugsmoment stärker verpresst.
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Diese Kräfte können neben der Clamp-Klammer 170c auch durch eine hier nicht dargestellte Flanschverbindung mit Durchgangsschrauben bewirkt werden bzw. durch eine Verschraubung mit Überwurfmutter, wozu entweder der Messgeräte-Flansch 180c oder der Adapter-Flansch 190c mit einem Gewinde am ganzen Umfang ausgestattet sein müsste. Abhängig von der Art des eingelegten Dichtringes 300c können unterschiedliche Effekte beim weiteren Zusammenziehen des Messgeräte-Flansches 180c mit dem Adapter-Flansch 190c eintreten. Wird eine Hartstoffdichtung wie z. B. PEEK eingelegt, kommt es zu einer federelastischen Auslenkung des Messgeräteflansches 180c und/oder des Adapterflansches 190c. Die Durchbiegung erreicht ihr Maximum, wenn die Flansche an ihrem äußeren Umfang durch die Klammer 170c soweit zusammengezogen wurden, bis diese sich gegenseitig an der Kontaktfläche 111c berühren, was jedoch nicht zwingend eintreten muss.
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Diese Vorspannung bewirkt eine Dichtwirkung unter allen möglichen Praxisbedingungen, unabhängig von Temperaturbewegungen in den beteiligten Bauteilen und sonstigen Veränderungen wie z. B. einer Setzbewegung der Dichtung.
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Zwischen dem Anschlag 121c des Prozessanschluss-Flansches 180c des Messgerätes 100c und dem Anschlag 122c des Adapterflansches 190c bleibt ein Abstand erhalten, der den für die federelastischen Eigenschaften der Verbindung notwendigen Federweg vorhält.
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Die Dichtung 300c kann ebenso als Elastomerdichtung ausgeführt werden. Während der formschlüssige Anschlage 111c durch die Clamp-Klammer 170c herbeigeführt wird, wird diese Elastomer-Dichtung soweit verformt, bis der Anschlag 121c des Prozessanschluss-Flansches 180c sich mit dem Anschlag 122c des Flansch-Adapters 190c berührt. Eine definierte Verpressung der elastischen Rund- oder Formdichtung ist damit sichergestellt.
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Dynamische Kräfte von außen ebenso wie durch Temperatureinflüsse herbeigeführte Form- bzw. Längenänderungen können damit wirkungsvoll kompensiert werden, sowohl vom Elastomer-Ring also auch von den federelastischen Elementen.
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10 zeigt eine vergrößerte Darstellung des rechten oberen Teils aus 9. Zu sehen ist sind der federelastische Flansch 180c vom Prozessanschlusses vom Messgerät 100c und der federelastische Flansch 190c von Adapter 200c.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Messzelle
- 4
- Dichtung
- 5
- Steckerbuchse
- 100, 100b, 100c, 100d
- Prozessanschluss
- 101
- Sechskant
- 110, 110b,
- erster Anschlag
- 120
- zweiter Anschlag
- 121c
- Anschlag von Flansch des Meßgerätes
- 122c
- Anschlag von Flansch des Adapters
- 130, 130b, 130c, 130d
- Dichtfedersteg (des Messgeräts)
- 140, 140a, 140c, 140d
- Nut
- 150
- Außengewinde
- 160, 160a, 160c, 160d
- Dichtkante
- 170c
- Verbindungsklammer
- 180c
- elastischer Flansch Meßgerät
- 190c
- elastischer Flansch Adapter
- 200, 200a, 200b, 200c, 200d
- Adapter
- 201a
- erster Teil des Adapters
- 202a
- zweiter Teil des Adapters
- 210, 210a, 210b, 210c, 210d
- Dichtfedersteg (des Adapters)
- 220, 220a, 220b
- Nut
- 230
- Innengewinde
- 300, 300b, 300c, 300d
- Dichtung
- 310
- Dichtring aus Polyetheretherketon (PEEK)
- 320
- O-Ring
- 330
- erste Metall-Metall-Dichtung
- 340
- zweite Metall-Metall-Dichtung
- 400, 400a
- Behälter
- 410
- Rohrleitung
