DE102010042641A1

DE102010042641A1 - Pressure Transmitter

Info

Publication number: DE102010042641A1
Application number: DE201010042641
Authority: DE
Inventors: Slava Friesen; Dominik Herzog; Thomas Himmelsbach; Markus Pfeiffer; Erich Schwabenland
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-04-19
Also published as: WO2012052348A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer (1) mit zumindest einer Kammer (4, 5), welche zur Übertragung eines zu messenden Drucks von einer Trennmembran (9, 10) zu einem druckempfindlichen Sensor (6) mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist. Zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist die zumindest eine Kammer (4, 5) mit einem Molekularsieb (16, 18) versehen, welches ein gutes Adsorptionsvermögen für verunreinigende Stoffe in der Druckübertragungsflüssigkeit besitzt. Damit kann der Druckübertragungsflüssigkeit beispielsweise Wasser entzogen werden, welches bereits bei der Befüllung der Kammer (4, 5) in der Flüssigkeit enthalten war oder im Betrieb des Druckmessumformers (1) beispielsweise durch Diffusion in die Kammer (4, 5) eingedrungen ist.The invention relates to a pressure transducer (1) having at least one chamber (4, 5) which is filled with a pressure transfer fluid for transmitting a pressure to be measured from a separating membrane (9, 10) to a pressure-sensitive sensor (6). To improve the long-term stability, the at least one chamber (4, 5) is provided with a molecular sieve (16, 18) which has a good adsorptive capacity for contaminants in the pressure transfer fluid. Thus, for example, water can be withdrawn from the pressure-transmitting liquid which was already contained in the liquid during filling of the chamber (4, 5) or has penetrated into the chamber (4, 5) during operation of the pressure transducer (1), for example by diffusion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit zumindest einer Kammer, welche zur Übertragung eines zu messenden Drucks von einer Trennmembran zu einem druckempfindlichen Sensor mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a pressure transducer having at least one chamber which is filled with a pressure transfer fluid for transferring a pressure to be measured from a separating diaphragm to a pressure-sensitive sensor, according to the preamble of claim 1.

Druckmessumformer werden häufig für die Messung eines Absolutdrucks eingesetzt. Die Messung des angelegten Drucks erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Referenzdrucks, der zuvor auf einen definierten Absolutdruck eingestellt wurde. Dies gilt unabhängig von dem angewandten Verfahren zur mechanisch-elektrischen Signalwandlung, die beispielsweise induktiv, kapazitiv oder piezoresistiv erfolgen kann. Häufig wird der Referenzdruck fertigungstechnisch auf einen Absolutdruck von weniger als 1 mbar festgelegt. Um einen direkten Kontakt zwischen einem Drucksensor und einem Messmedium in einer prozesstechnischen Anlage zu vermeiden, weisen Druckmessumformer häufig eine Kammer auf, welche zur Übertragung des zu messenden Drucks von einer Trennmembran, welche sich zwischen dem Prozessmedium und der Kammer befindet, zu einem druckempfindlichen Sensor mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist. Die Befüllung erfolgt über einen Einfüllkanal, nachdem die jeweilige Messkammer evakuiert worden ist. Bei der Befüllung jeder Messkammer mit der Druckübertragungsflüssigkeit ist darauf zu achten, dass ein definiertes Volumen an Druckübertragungsflüssigkeit eingebracht wird. Das Befüllen erfolgt mit einer unter Unterdruck stehenden Druckübertragungsflüssigkeit unter Einfluss der Schwerkraft. Danach wird jeder Einfüllkanal verschlossen und der Verschluss gesichert.Pressure transmitters are often used for measuring an absolute pressure. The measurement of the applied pressure takes place as a function of a reference pressure, which was previously set to a defined absolute pressure. This applies regardless of the method used for the mechanical-electrical signal conversion, which can be done, for example, inductive, capacitive or piezoresistive. Frequently, the reference pressure is set by manufacturing technology to an absolute pressure of less than 1 mbar. In order to avoid direct contact between a pressure sensor and a measuring medium in a process plant, pressure transmitters often have a chamber, which is used to transmit the pressure to be measured from a separating membrane, which is located between the process medium and the chamber, to a pressure-sensitive sensor a pressure transfer fluid is filled. The filling takes place via a filling channel after the respective measuring chamber has been evacuated. When filling each measuring chamber with the pressure transfer fluid, care must be taken that a defined volume of pressure transfer fluid is introduced. The filling takes place with a pressurized fluid under vacuum under the influence of gravity. Thereafter, each filling channel is closed and secured the closure.

Zusätzlich zur Evakuierung kann eine Druckmesszelle des Druckmessumformers vor der Befüllung vorbeheizt werden, um sicherzustellen, dass alle Gas- und Flüssigkeitsanteile aus der Kammer entfernt wurden. Rückstände von Flüssigkeiten oder Gasen würden im Messbereich zu einer erhöhten Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes führen, welche deren Kompensation erschweren würde. Durch Verunreinigungen bedingte Ausgasungen würden zudem zu einer Nichtlinearität im Temperaturverhalten und zu einem erhöhten Hysterese-Effekt führen. Es ist daher von großer Bedeutung für die Messgenauigkeit von Druckmessumformern, dass die Vakuumfestigkeit der Druckübertragungsflüssigkeit sichergestellt wird, d. h., dass dafür Sorge getragen wird, dass sich im Messbereich des Messumformers zumindest bis zum Erreichen des Referenzdrucks keine Gasblasen in der Flüssigkeit bilden. Es ist daher wichtig, dass beispielsweise ein Wasseranteil in der Druckübertragungsflüssigkeit von 50 ppm nicht überschritten wird, da die in der Kammer enthaltene Restfeuchte ansonsten zu einer Veränderung des Füllöls, welches häufig als Druckübertragungsflüssigkeit eingesetzt wird, führen würde. Eine überhöhte Restfeuchte könnte z. B. zu Problemen aufgrund einer veränderten Kompressibilität der Druckübertragungsflüssigkeit, die Fehler beim statischen Druckabgleich verursacht, sowie aufgrund der Anomalie des Wassers zu Problemen bei tiefen Temperaturen führen.In addition to the evacuation, a pressure cell of the pressure transmitter can be pre-heated prior to filling to ensure that all gas and liquid components have been removed from the chamber. Residues of liquids or gases would lead to an increased temperature dependence of the vapor pressure in the measuring range, which would make their compensation more difficult. Outgassing due to impurities would also lead to a non-linearity in the temperature behavior and to an increased hysteresis effect. It is therefore of great importance for the measurement accuracy of pressure transmitters to ensure the vacuum resistance of the pressure transfer fluid, i. h., That care is taken that in the measuring range of the transmitter, at least until the reference pressure is reached, no gas bubbles form in the liquid. It is therefore important that, for example, a water content in the pressure transfer fluid of 50 ppm is not exceeded, since the residual moisture contained in the chamber would otherwise lead to a change in the filling oil, which is often used as pressure transfer fluid. An excessive residual moisture could z. As problems due to a change in compressibility of the pressure transfer fluid that causes errors in the static pressure balance, as well as due to the anomaly of the water to problems at low temperatures.

Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, dass die Menge der beim Füllvorgang in einer Kammer verbleibenden Gase oder Feuchte nicht exemplarspezifisch nachgewiesen und somit nicht statistisch erfasst werden kann. Dies kann zu unerwünschten Fertigungsschwankungen führen.Another problem is the fact that the amount of gases or moisture remaining in a chamber during the filling process can not be proven to be specific to a particular sample and thus can not be statistically recorded. This can lead to undesirable manufacturing fluctuations.

Aus der DE 103 25 799 B3 ist zwar ein Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer bekannt, eine Möglichkeit zur Beseitigung oder zumindest Reduktion von Verunreinigungen der Druckübertragungsflüssigkeit wird jedoch nicht beschrieben.From the DE 103 25 799 B3 While a method of checking the vacuum resistance of a pressure transmitting liquid in a pressure transducer is known, a possibility for eliminating or at least reducing contamination of the pressure transmitting liquid is not described.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu schaffen, der sich durch eine verbesserte Langzeitstabilität auszeichnet.The invention has for its object to provide a pressure transducer, which is characterized by improved long-term stability.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer der eingangs genannten Art das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal auf. In Anspruch 2 ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung beschrieben.To solve this problem, the new pressure transducer of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 specified feature. In claim 2, an advantageous embodiment of the invention is described.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass verunreinigende Stoffe, beispielsweise Gase, Dämpfe oder gelöste Stoffe, durch das starke Adsorptionsvermögen des Molekularsiebes, welches häufig als Molsieb bezeichnet wird, gebunden werden. Damit wird eine dauerhaft bessere Reinheit der Druckübertragungsflüssigkeit erreicht. Durch das Molsieb können sowohl Verunreinigungen aufgenommen werden, die bereits bei der Befüllung der Kammer mit Druckübertragungsflüssigkeit in dieser enthalten waren, als auch Stoffe, die während des Betriebs des Druckmessumformers aufgrund Diffusion oder kleiner Leckstellen in die Kammer gelangen. Die Adsorption von Stoffen unterschiedlicher Molekülgrößen kann durch geeignete Auswahl von Molsieben genutzt werden. Dabei können in einer Kammer mehrere Molsiebe mit unterschiedlichen Porengrößen oder Molsiebe mit verschiedenen Adsorptionszonen je nach Art der Verunreinigungen zur Anwendung kommen.The invention has the advantage that contaminating substances, for example gases, vapors or dissolved substances, are bound by the strong adsorption capacity of the molecular sieve, which is often referred to as molecular sieve. This achieves a permanently better purity of the pressure transfer fluid. Through the molecular sieve both impurities can be included, which were already contained in the filling of the chamber with pressure transfer fluid in this, as well as substances that enter the chamber during operation of the pressure transmitter due to diffusion or small leaks. The adsorption of substances of different molecular sizes can be used by suitable selection of molecular sieves. In this case, several molecular sieves with different pore sizes or molecular sieves with different adsorption zones depending on the type of impurities can be used in a chamber.

Als besonders vorteilhaft in der Prozessinstrumentierung hat sich die Verwendung eines Molsiebs mit einer Porenweite von 0,3 nm erwiesen, da derartige Molsiebe, beispielsweise aus dem Material Zeolith, ein besonders starkes Adsorptionsvermögen für Wassermoleküle besitzen.The use of a molecular sieve with a pore width of 0.3 nm has proved to be particularly advantageous in process instrumentation, since such molecular sieves, for example of the material Zeolite, have a particularly strong adsorption capacity for water molecules.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Reference to the drawing, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.

In der einzigen Figur ist ein Druckmessumformer 1 mit längsgeschnittener Druckmesszelle in einer Prinzipdarstellung gezeichnet. Der Druckmessumformer 1 weist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Innengehäuse 2 auf mit einer zentralen Ausnehmung, die durch eine Mittenmembran 3 in zwei Kammern 4 und 5 unterteilt ist. Die Mittenmembran 3 trägt einen druckempfindlichen Sensor 6, der ein Messsignal 8 an eine Auswerteeinrichtung 7 abgibt. Zum Schutz des Sensors 6 vor Überlast und chemischen Einflüssen dienen zwei Trennmembranen 9 und 10. Die Trennmembran 9 begrenzt eine Referenzdruckkammer 11, die durch eine Ausnehmung in einer Kappe 12 realisiert ist. Die Trennmembran 10 trennt die Kammer 5 von einem Messmedium, das mit dem zu messenden Druck durch einen Einlass 13 in eine Messdruckkammer 14, die sich in einer Kappe 15 befindet, zugeführt wird. Die beiden Kammern 4 und 5 sind mit einer exakt bemessenen Menge eines Silikonöls befüllt. Der Referenzdruck in der Kammer 11 ist fertigungstechnisch auf einen Absolutdruck von höchstens 1 mbar eingestellt. Messwerte des zu messenden Drucks, die von der Auswerteeinrichtung 7 in Abhängigkeit des Messsignals 8 berechnet werden, zeigt der Druckmessumformer 1 durch ein Anzeigesignal 17, beispielsweise über einen Feldbus, einer übergeordneten Leitstation an, die in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist.In the only figure is a pressure transmitter 1 drawn with a longitudinally cut pressure cell in a schematic representation. The pressure transmitter 1 has a substantially rotationally symmetrical inner housing 2 on with a central recess that passes through a central membrane 3 in two chambers 4 and 5 is divided. The middle membrane 3 carries a pressure-sensitive sensor 6 , which is a measurement signal 8th to an evaluation device 7 emits. To protect the sensor 6 against overload and chemical influences serve two separation membranes 9 and 10 , The separation membrane 9 limits a reference pressure chamber 11 passing through a recess in a cap 12 is realized. The separation membrane 10 separates the chamber 5 from a medium to be measured with the pressure to be measured through an inlet 13 in a measuring pressure chamber 14 that is in a cap 15 is supplied. The two chambers 4 and 5 are filled with a precisely measured amount of a silicone oil. The reference pressure in the chamber 11 is adjusted to an absolute pressure of at most 1 mbar. Measured values of the pressure to be measured by the evaluation device 7 depending on the measuring signal 8th are calculated, the pressure transmitter shows 1 by an indication signal 17 , For example, via a field bus to a parent control station, which is not shown in the figure for clarity.

Zur Beseitigung eventueller Verunreinigungen der in den Kammern 4 und 5 befindlichen Silikonöle sind die Kammern 4 und 5 mit Molsieben 16 bzw. 18 versehen, deren Adsorptionsvermögen auf die zu erwartenden Verunreinigungen abgestimmt ist. Sobald unerwünschte Stoffe in das Silikonöl eindringen, werden diese durch die Molsiebe 16 und 18 wieder vom Silikonöl getrennt. Die beiden Molsiebe 16 und 18 sind jeweils mit einem Feuchtigkeitsindikator 19 bzw. 20 versehen, durch welchen der Auswerteeinrichtung 7 ein Erreichen der Kapazitätsgrenze angezeigt wird, wenn die Molsiebe 16 und/oder 18 nicht mehr in der Lage sind, eine weitere Menge des jeweiligen verunreinigenden Stoffes aufzunehmen. Der Zustand, der durch die Feuchtigkeitsindikatoren 19 und 20 angezeigt wird, wird ebenfalls durch die Auswerteeinrichtung 7 an eine übergeordnete Leitstation weitergegeben, so dass gegebenenfalls durch Wartungspersonal geeignete Maßnahmen eingeleitet werden können.To eliminate any contamination in the chambers 4 and 5 located silicone oils are the chambers 4 and 5 with molecular sieves 16 respectively. 18 whose adsorption capacity is matched to the expected impurities. As soon as unwanted substances penetrate into the silicone oil, they are passed through the molecular sieves 16 and 18 again separated from the silicone oil. The two molecular sieves 16 and 18 are each with a moisture indicator 19 respectively. 20 provided by which the evaluation device 7 reaching the capacity limit is displayed when the molecular sieves 16 and or 18 are no longer able to absorb another amount of the respective contaminant. The condition caused by the humidity indicators 19 and 20 is displayed, is also by the evaluation 7 passed on to a higher-level control station, so that, if necessary, suitable measures can be initiated by maintenance personnel.

In der Zeichnung sind die beiden Molsiebe 16, 18 jeweils an einem Übertragungskanal für die Druckübertragungsflüssigkeit angeordnet. Alternativ oder ergänzend dazu können Molsiebe unterhalb der Trennmembran 9 oder der Trennmembran 10 sowie an den Kammerwänden, welche der Mittenmembran 3 gegenüberliegen, angeordnet werden. Es ist lediglich wichtig, dass die Molsiebe in gutem Kontakt zur Druckübertragungsflüssigkeit stehen.In the drawing, the two molecular sieves 16 . 18 each disposed on a transmission channel for the pressure transfer fluid. Alternatively or additionally, molecular sieves below the separation membrane 9 or the separation membrane 10 and on the chamber walls, which are the middle membrane 3 be arranged opposite. It is only important that the molecular sieves are in good contact with the pressure transfer fluid.

Die Erfindung ist bei jeder Art von Druckmessumformern anwendbar, in welchen eine Kammer mit einer Druckübertragungsflüssigkeit befüllt ist, beispielsweise ebenso bei Differenzdruckmessumformern.The invention is applicable to any type of pressure transducers in which a chamber is filled with a pressure transfer fluid, for example also in differential pressure transducers.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10325799 B3 [0005]

Claims

Pressure transmitter ( 1 ) with at least one chamber ( 4 . 5 ), which for transmitting a pressure to be measured from a separating membrane ( 9 . 10 ) to a pressure-sensitive sensor ( 6 ) is filled with a pressure transfer fluid, characterized in that the at least one chamber ( 4 . 5 ) with a molecular sieve ( 16 . 18 ) is provided for the adsorption of contaminants in the pressure transfer fluid.

Pressure transmitter, characterized in that the molecular sieve ( 16 . 18 ) has a pore width of 0.3 nm.