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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittler und einen Druckmessumformer mit einem solchen Druckmittler.
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Zum Erfassen von Drücken eines Prozessesmediums werden häufig Druckmittler eingesetzt, welche einen Gehäusekörper aufweisen, an dem eine Trennmembran, unter Bildung eines mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Kammerverbundes zwischen dem Gehäusekörper und der Trennmembran, druckdicht befestigt wird, wobei sich ein hydraulischer Pfad durch den Gehäusekörper erstreckt, um den an der Trennmembran anstehenden Druck eines Prozessmediums zu übertragen.
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Die in dem hydraulischen Kammerverbund eingeschlossene Druckübertragungsflüssigkeit, die meistens ein Öl umfasst, bewirkt, dass ein Druck, welcher an der dem Prozessmedium zugewandten Seite der Trennmembran anliegt, an ein Drucksensorelement zum Erfassen eines Druckmesswertes geleitet wird. Hierbei gilt es, um einen optimalen Betrieb des Druckmittlers über einen lange Lebensdauer von einigen Jahren bis hin zu einigen Jahrzehnten, zu gewährleisten, dass sich das Volumen innerhalb des Druckmittlers nicht wesentlich verändern sollte, da sonst ein Verfälschung des zu übertragenden Druckes und somit des Druckmesswertes erfolgen würde.
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Insoweit, als das eine solche Verfälschung aufgrund von sich im Inneren bildenden oder von außen eindiffundierten Wasserstoff, bspw. in Form von Wasserstoffmolekülen, Wasserstoffatomen und/oder Wasserstoffionen, hervorgerufen wird, ist es bekannt, dass Vorkehrungen getroffen werden, um eine solche Verfälschung zu vermindern.
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So schlägt bspw. die
DE 10 2013 110 968 A1 ein Wasserstoffabsorptionsmaterial vor, welches in der eingeschlossenen Druckübertragungsflüssigkeit platziert wird, sodass Wasserstoffatome absorbiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde hierzu eine alternative Lösung vorzuschlagen, die es erlaubt, den Wasserstoffgehalt in der eingeschlossenen Druckübertragungsflüssigkeit zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Druckmittler und einen Druckmessumformer gelöst.
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Hinsichtlich des Druckmittlers wird die Aufgabe durch einen Druckmittler mit einem metallischen Gehäusekörper gelöst, welcher einen mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Kammerverbund aufweist, wobei der Gehäusekörper zumindest abschnittsweise einen wasserstoffdurchlässigen Festkörper umfasst, welcher mit der Druckübertragungsflüssigkeit in Wechselwirkung steht, sodass in der Druckübertragungsflüssigkeit befindlicher bzw. gelöster Wasserstoff durch den wasserstoffdurchlässigen Festkörper aus dem hydraulischen Kammerverbund entweichen kann.
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Die Erfindung geht von dem Ansatz aus, dass eine Wasserstoffdiffusion in einen Druckmittler hinein nicht verhindert werden soll, sondern bereits reindiffundierter Wasserstoff wieder entweichen zu lassen. Hierzu werden die in der Druckübertragungsflüssigkeit gelösten Wasserstoffmoleküle wieder in atomare Form umgewandelt und anschließend über bzw. durch den wasserstoffdurchlässigen Festkörper in die Umgebungsatmosphäre wegtransportiert.
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Erfindungsgemäß wird also der in der Druckübertragungsflüssigkeit gelöste Wasserstoff durch eine Wasserstoffdurchlässige Membran bzw. einen wasserstoffdurchlässigen Festkörper in die Umgebung des Druckmittlers abtransportiert. Dies bietet den Vorteil, dass keine aufwendigen wasserstoffblockierenden oder wasserstoffabsorbierenden Maßnahmen mehr erforderlich sind.
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Als Material für den wasserstoffdurchlässigen Festkörper kommt dabei eine ganze Reihe von Metallen in Betracht, wie z.B. Palladium, Niob, Tantal, Vanadium oder auch Titan. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei Palladium erwiesen. So weist bspw. Palladium eine Permeabilität von 10·10–9 mol/(msPa–0,5) bei einer Temperatur von 550 °C auf.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Druckmittlers sieht vor, dass der Gehäusekörper im Bereich des wasserstoffdurchlässigen Festkörpers als Schichtaufbau realisiert ist und der Schichtaufbau wenigstens eine aus dem wasserstoffdurchlässigen Festkörper bestehende wasserstoffdurchlässige Materialschicht und eine Stabilisierungsschicht zur mechanischen Stabilisierung des wasserstoffdurchlässigen Festkörpers umfasst. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die Stabilisierungsschicht ein poröses keramisches Material umfasst.
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Der Schichtaufbau dient bei hohen Drücken innerhalb des Druckmittlers dazu, den wasserstoffdurchlässigen Festkörper gegen die Stabilisierungsschicht zu pressen. Somit soll durch den Schichtaufbau eine hinreichende mechanische Stabilität erzielt werden. Dies ist insbesondere erforderlich, da der wasserstoffdurchlässige Festkörper möglichst dünn sein muss, um einen effizienten Wasserstoffabtransport realisieren zu können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der wasserstoffdurchlässige Festkörper Palladium beschichtetes Eisen umfasst. Palladium beschichtetes Eisen vereinbart eine gute Wasserstoff Permeabilität sowie sehr gute Schweißeigenschaften.
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Eine alternative Ausgestaltung des Druckmittlers sieht vor, dass der wasserstoffdurchlässige Festkörper eine Legierung umfasst. Bevorzugt sieht die Ausgestaltung eine Legierung vor, die zumindest Palladium als einen Legierungsbestandteil umfasst. Besonders bevorzugt sieht die Ausgestaltung vor, dass die Legierung eine Palladium-Silber-Legierung umfasst, da eine Palladium-Silber-Legierung eine relativ hohe Wasserstoffdurchlässigkeit bzw. Wasserstoffpermeabilität besitzt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Druckmittlers sieht vor, dass der metallische Gehäusekörper Stahl oder Edelstahl umfasst.
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Hinsichtlich des Druckmessumformers wird die Aufgabe durch einen Druckmessumformer, der nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist, und einem Drucksensorelement gelöst, wobei das Drucksensorelement mit dem hydraulischen Kammerverbund kommuniziert und über die Druckübertragungsflüssigkeit mit einem zu messenden Druck zum Erfassen eines Druckmesswertes beaufschlagbar ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Druckmessumformers sieht vor, dass der Druckmittler an einer Stirnfläche eine Trennmembran und einen Prozessanschluss aufweist über die der Druckmittler in Kontakt mit einem Prozessmedium gebracht wird, wobei der wasserstoffdurchlässige Festkörper so angeordnet ist, dass eine Erwärmung des Festkörpers aufgrund einer Prozesstemperatur in Bezug auf die Umgebungstemperatur erfolgt. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass der Festkörper so angeordnet ist, dass er im Wesentlichen an den Prozessanschluss angrenzt.
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Da die Wasserstoffpermeabilität von den meisten Metallen, insbesondere von Palladium, mit zunehmender Temperatur steigt, kann bei einer Anordnung des Festkörpers im Bereich des Prozessanschlusses die von dem Prozess ausgehende Temperaturerwärmung des wasserstoffdurchlässigen Festkörpers dazu genutzt werden, die Permeabilität weiter zu erhöhen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmessumformer.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmessumformer 1, der einen Druckmittler und ein Drucksensorelement 3 umfasst. Der Druckmittler weist einen aus Edelstahl und im Wesentlichen axialsymmetrisch gefertigten Gehäusekörper 2 auf. An einer ersten Stirnfläche 4 des Gehäusekörpers 2 ist eine Trennmembran 5 entlang ihres Umfangs an der Stirnfläche 4 angeschweißt, wodurch zwischen Trennmembran 5 und der Stirnfläche eine Druckkammer 6 gebildet ist. Entlang der axialen Richtung des Druckmittlers erstreckt sich von der Druckkammer aus ein Kanal 7, welcher in einer Messzellenkammer 8 mündet. Dieser in sich abgeschlossene Kammerverbund ist mit einer Druckübertragungsflüssigkeit 9 gefüllt, sodass sich ein hydraulischer Kammerverbund 6, 7, 8 ergibt. Über diesen hydraulischen Kammerverbund 6, 7, 8 wird ein an der dem Druckmittler abgewandten Seite der Trennmembran 5 anliegender Druck mittels der Druckübertragungsflüssigkeit 9 an das Drucksensorelement 3 geleitet. Das Drucksensorelement 3 sitzt dabei innerhalb der Messzellenkammer 8 und wird mit dem zu messenden Mediendruck beaufschlagt.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Drucksensorelement 3 ein Relativdrucksensorelement, welchem der Atmosphärendruck über eine Referenzleitung 10 zugeführt wird. Selbstverständlich kann die Erfindung genauso auf einen Druckmittler mit einem Differenzdrucksensorelement oder einem Absolutdrucksensorelement übertragen werden.
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Erfindungsgemäß umfasst der Gehäusekörper 2 des Druckmittlers ferner einen Palladium aufweisenden wasserstoffdurchlässigen Festkörper 11, der mit der Druckübertragungsflüssigkeit 9 in Wechselwirkung steht. Der wasserstoffdurchlässige Festkörper 11 sorgt dafür, dass die in der Druckübertragungsflüssigkeit 9 gelösten Wasserstoffmoleküle durch den Festkörper 11 in atomarer Form in die Umgebungsatmosphäre transportiert werden.
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Um eine erhöhte mechanische Stabilität zu erzielen ist der Gehäusekörper 2 in diesem Bereich als Schichtaufbau realisiert. Der Schichtaufbau umfasst dabei eine wasserstoffdurchlässige Materialschicht 11, welche aus dem Festkörper besteht, und eine zur mechanischen Stabilisierung dienende Stabilisierungsschicht 12. Die Stabilisierungsschicht 12 umfasst bspw. ein poröses keramisches Material. Als besonders vorteilhafter wasserstoffdurchlässiger Festkörper 11 hat sich dabei Palladium beschichtetes Eisen erwiesen, da dieses Material eine gute Wasserstoffdurchlässigkeit (bzw. einen hohen Permeabilitätswert) mit sehr guten Schweißeigenschaften besitzt. Andere Materialien bzw. Materialkombinationen, wie bspw. eine Legierung, die vorzugsweise Palladium als einen Legierungsbestandteil umfasst, sind jedoch ebenfalls einsetzbar.
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Da eine Vielzahl der Materialen, die als wasserstoffdurchlässiger Festkörper 11 in Betracht kommen, die Eigenschaft besitzen mit zunehmender Temperatur auch ihre Wasserstoffdurchlässigkeit bzw. Permeabilität zu steigern, ist der Schichtaufbau möglichst nahe an einem Prozessanschluss 13 in den Gehäusekörper 2 eingebracht. Auf diese Weise kann eine Prozesstemperatur, welche typischerweise höher ist als die Umgebungstemperatur, dazu genutzt werden, eine Erwärmung des Schichtaufbaues, insbesondere des wasserstoffdurchlässigen Festkörpers 11 zu bewirken, sodass die Wasserstoffdurchlässigkeit des Festkörpers aufgrund der Erwärmung steigt.
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Eine exakte Anordnung des Schichtaufbaues 11, 12 lässt sich jedoch nicht allgemein gültig beschreiben, da diese stark abhängig vom konstruktiven Aufbau sowie dem Material des Druckmittlers als auch dem Material des wasserstoffdurchlässigen Festkörpers selbst ist. Als bevorzugt hat es sich erwiesen, wenn der Schichtaufbau zumindest in einer ersten Hälfte, die sich von der Stirnfläche des Druckmittlers in axialer Richtung des Druckmittlers erstreckt, angeordnet ist. Als besonders effizient hat es sich erwiesen, wenn der Schichtaufbau 11, 12 in einem ersten Drittel des Druckmittlers angeordnet ist.
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Exemplarisch ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schichtaufbau unmittelbar angrenzend an den Prozessanschluss 13 dargestellt. Denkbar ist aber ggfl. auch eine Anordnung bei der der Schichtaufbau ein Teil des Prozessanschlusses ist, oder auch beabstandet von diesem ist.
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Der wasserstoffdurchlässige Festkörper 11 weist hinsichtlich seiner Dicke, eine Dicke auf, die ein Vielfaches geringer ist als die Dicke der Stabilisierungsschicht 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessumformer
- 2
- Gehäusekörper des Druckmittlers
- 3
- Drucksensorelement
- 4
- Stirnfläche des Gehäusekörpers
- 5
- Trennmembran
- 6
- Druckkammer
- 7
- Kanal
- 8
- Messzellenkammer
- 9
- Druckübertragungsflüssigkeit
- 10
- Referenzleitung
- 11
- Wasserstoffdurchlässiger Festkörper bzw. Materialschicht
- 12
- Poröse Keramik
- 13
- Prozessanschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013110968 A1 [0005]
