DE102010002854A1

DE102010002854A1 - Hydraulischer Druckmittler, Druckmessaufnehmer mit einem solchen Druckmittler und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102010002854A1
Application number: DE201010002854
Authority: DE
Inventors: Dieter Funken; Igor Getman
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-15
Also published as: WO2011113643A1

Abstract

Ein Druckmittler umfasst einen Druckmittlerkörper (2); und eine Trennmembran (3) mit einer ersten geprägten Kontur (4), die entlang mindestens eines umlaufenden Randes mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers (2) verbunden ist, wobei der Druckmittlerkörper ein Membranbett (5) mit einer zweiten Kontur aufweist, welche im Wesentlichen mit der ersten Kontur (4) fluchtet, wenn die Trennmembran an der Membranbett zur Anlage kommt wobei die erste Kontur erhalten ist durch einen Prozess, welcher das Prägen der Trennmembran (3) mit der dem Membranbett (5) abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen Stempel (20) aufweist, wobei der Stempel eine dritte Kontur (22) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel mindestens einen Kanal (24) aufweist, welcher sich von der Oberfläche der dritten Kontur durch den Körper des Stempels erstreckt, um beim Prägen zwischen der Trennmembran und der Oberfläche des Stempels eingeschlossenes Fluid entweichen zu lassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischer Druckmittler, einen Druckmessaufnehmer mit einem solchen Druckmittler und Herstellungsverfahren dafür.
Gattungsgemäße Druckmittler umfassen einen Druckmittlerkörper; und eine Trennmembran mit einer ersten geprägten Kontur, die entlang mindestens eines umlaufenden Randes mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers verbunden ist, wobei der Druckmittlerkörper ein Membranbett mit einer zweiten Kontur aufweist, wobei die erste Kontur erhalten ist durch einen Prozess, welcher Prägen der Trennmembran mit der dem Membranbett abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen Stempel aufweist.
Eine Standardvariante des Prägens einer Trennmembran besteht darin, die Trennmembran nach dem Verschweißen eines Trennmembranrohlings auf dem Grundkörper auf dem Membranbett des Grundkörpers abzuprägen. Insoweit als Trennmembranen gewöhnlich aus einem elastischen Werkstoff bestehen, ist es schwierig, eine rein plastische Verformung über dem Membranbett zu erreichen. Die der Trennmembran aufgeprägte Kontur wird also immer etwas gegenüber der Kontur des als Prägestock dienenden Membranbetts relaxieren. Daher weist die Kontur einer Trennmembran, die ausschließlich auf ihrem Membranbett abgeprägt wurde, axiale Auslenkungen oder Krümmungen auf, die niedriger sind als entsprechende Konturelemente des Membranbetts. Dies setzt der Gestaltungsfreiheit bei Prägung von Trennmembranen über ihren Membranbetten enge Grenzen.
Ein Ansatz, um dennoch größere Gestaltungsfreiheiten bei der Prägung von Trennmembranen zu erhalten, besteht darin, die Trennmembranen mit einer dem Membranbett abgewandten Seite gegen einen Stempel oder ggf. eine Folge von Stempeln zu prägen. Die Stempel können dann solche Konturen aufweisen, die erforderlich sind um die gewünschten Konturen in den Trennmembranen zu erzielen, ohne dass die Kontur der Stempel gleichzeitig den Anforderungen an ein Membranbettkontur genügen muss.
Untersuchungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung haben nun Ergeben, dass während des Prägens entstehende Medieneinschlüsse zwischen dem Stempel und der Trennmembran zu Abweichungen von der angestrebten Trennmembrankontur führen. Insbesondere können Krümmungen und/oder axiale Auslenkungen der Kontur im Bereich der Einschlüsse geringer als erwünscht ausfallen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckmittler bereitzustellen, der diese Nachteile überwindet, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Dia Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Druckmittler gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Der erfindungsgemäße Druckmittler umfasst einen Druckmittlerkörper; und eine Trennmembran mit einer ersten geprägten Kontur, die entlang mindestens eines umlaufenden Randes mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers verbunden ist, wobei der Druckmittlerkörper ein Membranbett mit einer zweiten Kontur aufweist, wobei die erste Kontur erhalten ist durch einen Prozess, welcher Prägen der Trennmembran mit der dem Membranbett abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen Stempel aufweist, wobei der Stempel eine dritte Kontur aufweist, wobei der Stempel erfindungsgemäß mindestens einen Kanal aufweist, welcher sich von der Oberfläche der dritten Kontur durch den Körper des Stempels erstreckt, um beim Prägen zwischen der Trennmembran und der Oberfläche des Stempels eingeschlossenes Fluid entweichen zu lassen.
Das eingeschlossene Fluid kann insbesondere eine Flüssigkeit, eine Suspension, eine Emulsion oder ein Gas sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Membranbett im Wesentlichen mit der ersten Kontur fluchtet, wenn die Trennmembran an der Membranbett zur Anlage kommt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass eine rotationssymmetrische Trennmembran mit einem rotationssymmetrischen Membranbett zentriert ist. Weiterhin kann die bedeuten dass die Trennmembran in der Weise an dem Membranbett abgestützt werden kann, dass im Falle einer Überlast keine plastische Verformung der Kontur der Trennmembran durch Prägen gegen die Kontur des Membranbetts auftritt.
Der Stempel kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mehrere Kanäle aufweisen, die sich von der Kontur durch den Körper des Stempels erstrecken.
Erfindungsgemäße Druckmittler können insbesondere daran erkennbar sein, dass die Öffnungen der Kanäle zu der Oberfläche des Stempels lokale plastische Verformungen der Trennmembran hinterlassen, die entweder unmittelbar erkennbar oder im Gefüge des Trennmembranmaterials nachweisbar sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Trennmembran vor dem Prägen an dem Grundkörper befestigt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die dritte Kontur nicht mit der zweiten Kontur identisch ist, wobei die dritte Kontur beispielsweise dazu vorgesehen ist, der Trennmembran die erste Kontur aufzuprägen, welche mit der zweiten Kontur fluchtet, wobei die dritte Kontur eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur, also:
wobei gilt:
mit j = 2 oder 3. Hierbei kann R insbesondere der Radius, bis zu dem die Trennmembran Messbetrieb axial elastisch auslenkbar ist.
Nach einer anderen Definition kann R das 0,9-fache oder das 0,95-fache des Innenradius der Fügestelle sein mit welcher die Trennmembran mit dem Grundkörper verbunden ist.
Die obigen Definitionen gelten offensichtlich für eine vollflächige Membran. Für eine Ringmembran, sind sinngemäße Anpassungen erforderlich, also:
wobei gilt:
R_i und R_a sind beispielsweise der Innenradius und der Außenradius des axial elastisch auslenkbaren Bereichs der Trennmembran. Nach einer anderen Definition kann R_i die Summe sein aus dem äußeren Radius der inneren Fügestelle und dem 0,1-fachen Abstand zwischen dem inneren Radius der äußeren Fügestelle und dem der äußere Radius der inneren Fügestelle. R_a kann dem entsprechend die Differenz sein zwischen dem inneren Radius der äußeren Fügestelle und dem 0,1-fachen Abstand zwischen dem inneren Radius der äußeren Fügestelle und dem der äußere Radius der inneren Fügestelle.
Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Druckmittler, einen hydraulischen Pfad und einen Druckmesswandler mit einem Verformungskörper, wobei der Druckmesswandler über den hydraulischen Pfad mit dem Druckmittler kommuniziert, über welchen der Verformungskörper, insbesondere eine Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist, der von dem an der Trennmembran anstehenden Druck abhängt, wobei der Druckmesswandler dazu vorgesehen ist Signal auszugeben, welches ein Maß für die druckabhängige Verformung des Verformungskörpers ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers mit einem Druckmittlerkörper und einem Membranbett und einer an dem Druckmittlerkörper befestigten Trennmembran, welche das Membranbett überdeckt, umfasst: Prägen einer ersten Kontur in die Trennmembran mit der dem Membranbett abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen mindestens einen Stempel; wobei der Stempel eine dritte Kontur aufweist, mit welcher das Material der Trennmembran zumindest anteilig plastisch verformt wird, wobei die dritte Kontur nicht mit der zweiten Kontur identisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel mindestens einen Kanal aufweist, welcher sich von der Oberfläche der Kontur durch den Stempel erstreckt, um ein Fluid, welches beim Prägen zwischen der Trennmembran und dem Stempel eingeschlossen ist, entweichen zu lassen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Stempel mehrere Kanäle auf, die sich von der Oberfläche der Kontur durch den Körper des Stempels erstrecken.
Das Fluid kann insbesondere ein Gas, eine Emulsion oder eine Flüssigkeit sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die dritte Kontur dazu vorgesehen, der Trennmembran die erste Kontur aufzuprägen, welche mit der zweiten Kontur fluchtet, wobei die dritte Kontur eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Prägen der Trennmembran eine Folge von mehreren Prägeschritten gegen jeweils einen Stempel auf, wobei mindestens ein Stempel, beispielsweise der letzte Stempel, die dritte Kontur aufweist, für die gilt, dass eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Trennmembran vor dem Prägen gegen den Stempel an dem Grundkörper befestigt, insbesondere mittels mindestens einer umlaufenden Schweißnaht.
Die Erfindung wird nun anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers;
2: ein Ausführungsbeispiel eines Stempels zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer; und
3: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittler während des Prägens der Trennmembran.
Der in 1 dargestellte Druckmessaufnehmer 1 umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler, also einen Grundkörper 2, an welchem eine Trennmembran 3 beispielsweise durch Schweißen befestigt ist, wobei die Trennmembran 3 eine erste Kontur 4 aufweist, welche der Trennmembran aufgeprägt ist, um einen hinreichenden Volumenhub zu ermöglichen. Der Grundkörper 2 weist ein Membranbett 5 mit einer zweiten Kontur auf, welche mit der Kontur 4 der Trennmembran fluchtet, sodass die Trennmembran vom Membranbett abgestützt werden kann, wenn die Trennmembran 3 am Membranbett 5 zur Anlage kommt. Von dem Membranbett 5 erstreckt sich eine Bohrung 6 durch den Grundkörper 2, welcher einen hydraulischen Pfad bildet, um einen Halbleiterdruckmesswandler 8, mit einer Messmembran 10, der in einer Wandlerkammer 12 angeordnet ist, mit einem an der Trennmembran 3 anstehenden Druck zu beaufschlagen. Zur Druckübertragung ist das zwischen der Trennmembran und dem Membranbett eingeschlossene Volumen, der hydraulische Pfad und die Wandlerkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
Der Halbleiter Druckmesswandler umfasst beispielsweise piezoresistive Widerstandelemente in Vollbrückenschltung, welche ein von der Verformung der Messmembran 10 abhängiges Signal bereitstellen. Anstelle des beschriebenen Halbleiterdruckmesswandlers mit einem piezoresistiven Wandlerprinzip kann selbstverständlich jeder beliebige andere Druckmesswandler zum Einsatz kommen, beispielsweise kapazitiver Druckmesswandler, ein Druckmesswandler mit einem mechanischen Resonator, ein Druckmesswandler mit einem optischen Resonator oder ein interferometrischer Druckmesswandler. Das von dem Druckmesswandler aufbereitete Signal wird in einer Auswertungsschaltung 14 aufbereitet und über einen Signalausgang 16 an eine übergeordnete Einheit ausgegeben.
Der in 1 dargestellte Druckmessaufnehmer 1 ist ein Relativdruckmessaufnehmer, bei welchem der Messmembran 10 anstehende Druck gegen Atmosphärendruck gemessen wird, welcher über eine rückseitige Öffnung der Wandlerkammer 12 an die Rückseite der Messmembran geführt wird. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer auch ein Druckmessaufnehmer für Absolutdruckmessungen sein, wobei in diesem Falles das Volumen des Druckmesswandler hinter der Messmembran geschlossen und evakuiert ist, um eine Messung des an der Frontseite der Messmembran anstehenden Drucks gegen Vakuum zu ermöglichen. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Druckmesswandler ein Differenzdruckmesswandler sein zum Messen der Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck, wobei der Differenzdruckmesswandler einen ersten erfindungsgemäßen Druckermittler umfasst, welcher über einen ersten hydraulischen Pfad einen Mediendruck zu einer ersten Seite eines Verformungskörpers bzw. einer Messmembran leitet, und einen zweiten erfindungsgemäßen Druckmittler, welcher einen zweiten Mediendruck über einen zweiten hydraulischen Pfad zu einer der ersten Seite abgewandten, zweiten Seite des Verformungskörpers bzw. der Messmembran leitet.
2 zeigt nun eine räumliche Darstellung eines Stempels 20 zum Prägen einer Trennmembran eines erfindungsgemäßen Druckmittlers. In einer Stirnfläche des Stempels 20 ist einen dritte Kontur 22 ausgebildet, gegen welche die Trennmembran zu prägen ist. Durch den Körper des Stempels 20 erstrecken sich von der die dritte Kontur 22 tragenden Stirnseite Kanäle 24 auf verschiedenen Radien, durch welche beim Prägen der Trennmembran Gas entweichen kann, welches zwischen der Trennmembran 3 und der Kontur 22 eingeschlossen ist.
3 zeigt schließlich den Prägevorgang, bei welchem der Druckmittler, also ein Grundkörper 2 mit angeschweißter Trennmembran 3, an einem Stempel 20 anliegt, wobei über die Bohrung 6 durch den Grundkörper 2 die Trennmembran 3 mit einem Druck P beaufschlagt wird, um die Trennmembran gegen die dritte Kontur 22 des Stempels 20 zu prägen. Wenngleich dies anhand der vorliegenden Zeichnungen, die nur Prinzipskizzen sind, nicht erkennbar ist weißt die dritte Kontur 22 eine größere Variation der axialen Koordinate Z(r) auf die entsprechende Variation der axialen Koordinate der Kontur des Membranbetts 5.
Der Prägedruck kann dabei entweder pneumatisch oder hydraulisch aufgebracht werden.
Zudem kann über eine Kontrolle der Temperatur des Mediums, mit welchem der Druck aufgebracht wird, und/oder der Temperatur des Grundkörpers 2 und/oder der Temperatur des Stempels 20 Einfluss auf die Prägung genommen werden.
Schließlich kann zwischen der stempelseitigen Oberfläche der Trennmembran 3 und der dritten Kontur 22 noch ein Gleitmittel eingesetzt werden, um die Relativbewegung zwischen dem Material der Trennmembran 3 und den Konturelementen 22 während des Prägens zu erleichtern.

Claims

Druckmittler, umfassend: einen Druckmittlerkörper (2); und eine Trennmembran (3) mit einer ersten geprägten Kontur (4), die entlang mindestens eines umlaufenden Randes mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers (2) verbunden ist, wobei der Druckmittlerkörper ein Membranbett (5) mit einer zweiten Kontur aufweist, welche im Wesentlichen mit der ersten Kontur (4) fluchtet, wenn die Trennmembran an der Membranbett zur Anlage kommt, wobei die erste Kontur (4) erhalten ist durch einen Prozess, welcher das Prägen der Trennmembran mit der dem Membranbett abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen Stempel aufweist, wobei der Stempel (20) eine dritte Kontur (22) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (20) mindestens einen Kanal (24) aufweist, welcher sich von der Oberfläche der dritten Kontur (22) durch den Körper des Stempels (20) erstreckt, um beim Prägen zwischen der Trennmembran (3) und der Oberfläche des Stempels (20) eingeschlossenes Fluid entweichen zu lassen.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Stempel mehrere Kanäle aufweist, die sich von der Kontur durch den Körper des Stempels erstrecken.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Kontur unterschiedlich zur zweiten Kontur ist,
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Kontur dazu vorgesehen ist, der Trennmembran die erste Kontur aufzuprägen, welche mit der zweiten Kontur fluchtet, wobei die dritte Kontur eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur.
Druckmessaufnehmer, umfassend: mindestens einen Druckmittler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4; einen hydraulischen Pfad; und einen Druckmesswandler mit einem Verformungskörper, wobei der Druckmesswandler über den hydraulischen Pfad mit dem Druckmittler kommuniziert, wobei der Verformungskörper, über den hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist, der von einem an der Trennmembran anstehenden Druck abhängt, wobei der Druckmesswandler dazu vorgesehen ist, Signal auszugeben, welches ein Maß für die druckabhängige Verformung des Verformungskörpers ist.
Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers mit einem Druckmittlerkörper und einem Membranbett und einer an dem Druckmittlerkörper befestigten Trennmembran, welche das Membranbett überdeckt, wobei die Herstellung des Druckmittlers umfasst: Prägen einer ersten Kontur in die Trennmembran mit der dem Membranbett abgewandten Seite der Trennmembran gegen einen Stempel, wobei die geprägte erste Kontur im Wesentlichen mit einer zweiten Kontur in dem Membranbett des Druckmittlerkörpers fluchtet, wobei der Stempel eine dritte Kontur aufweist, mit welcher das Material der Trennmembran zumindest anteilig plastisch verformt wird, wobei die dritte Kontur nicht mit der zweiten Kontur identisch ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel mindestens einen Kanal aufweist, welcher sich von der Oberfläche der Kontur durch den Stempel erstreckt, um ein Fluid, welches beim Prägen zwischen der Trennmembran und dem Stempel eingeschlossen ist, entweichen zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Stempel mehrere Kanäle aufweist, die sich von der Kontur durch den Körper des Stempels erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Fluid ein Gas, eine Emulsion oder eine Flüssigkeit ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die dritte Kontur dazu vorgesehen ist, der Trennmembran die erste Kontur aufzuprägen, welche mit der zweiten Kontur fluchtet, wobei die dritte Kontur eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Trennmembran vor dem Prägen der ersten Kontur an dem Grundkörper befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Prägen mehrere Teilprägeschritte mit jeweils einem Stempel umfasst, wobei für mindestens einen Stempel gilt, dass dessen Kontur eine Variation der axialen Koordinaten Z₃(r) aufweist, die größer sind als entsprechende Variation der axialen Koordinaten Z₂(r) der zweiten Kontur.