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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Vorrichtung betrifft eine Differenzdruckwandleranordnung mit Überdruckschutz.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Differenzdrucksensoren wandeln Druckschwankungen unter Einsatz von piezo-elektrischen oder Halbleitersensoren in elektrische Signale um. Sensoren waren anfangs mechanisch und konnten höhere Druckschwankungen bewältigen, waren aber weniger genau und gaben keine digitale Signale, Daten aus. Die modernen Sensoren sind zwar genauer, aber anfälliger für Druckspitzen und benötigen Überdruckschutz.
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Überdruckschutz und Unterdruck entstehen häufig in einem Drucksystem mit Ein-/Ausgängen oder einem Hydrauliksystem unter Druck. Druckschwankungen, insbesondere bei inkompressiblen Fluiden, können sich sehr schnell ändern. Dies passiert z. B. auch beim Öffnen von Schieber und Ventilen zu benachbarten Prozessen. Diese schnellen und sich wiederholenden Druckschwankungen benötigen haltbare und reaktionsfähige Schutzsysteme.
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Die erteilte Veröffentlichung Whitehead,
US 4072058 beschreibt eine Schutzvorrichtung für einen zwei Kammerpaare und zwei Membranpaare umfassenden Drucksensorschutz. Die ersten zwei Membranen an den Einlass- und Auslassenden der Schutzvorrichtung verformen sich bei Über- oder Unterdruckbedingungen, um dabei den Fluidstrom in die Innenkammern zu unterbrechen. Da diese Deformierungen langsam erfolgen können, verfügt die Schutzvorrichtung über ein zweites, internes Membranpaar. Die ersten Membrane bilden ein erstes Kammerpaar und die zweiten Membrane eine zweite, zentrale Kammer, welche jeweils Fluidkanäle aufweisen, die Druck von einer Seite zur anderen durch ein Füllfluid übertragen.
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In einer Überdrucksituation würde sich die einlassseitige Membran gegen die Wand der ersten Kammer pressen, zum Anliegen kommen und somit den Fluidstrom unterbrechen. Die Verformung steigert jedoch den Druck in der Kammer, wodurch sich die internen Membranen zwangsweise verformen. Dies führt zum Druckausgleich und schützt idealerweise vor einem Druckstoß. Zur Beschleunigung des Druckausgleichs weist die Vorrichtung auch Druckumgehungen zwischen den Kammern auf. Eine ähnliche, fluidgefüllte Überdruckschutzvorrichtung mit fluiden Umgehungskanälen wird in dem erteilten Patent Hershey,
US 4329877 beschrieben.
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Die Füllfluide (gewöhnlich inkompressible oder weitgehend inkompressible Fluide) stellen jedoch verschiedene Nachteile und Herausforderungen dar. Zunächst können entweichende Füllfluide das Gesamtsystem verunreinigen oder eine Explosionsgefahr herbeiführen. Zweitens unterliegt das Füllfluid temperaturbedingter Expansion und Kontraktion, so dass der Temperaturbereich, über den die Vorrichtung kalibriert bleiben soll, eingeschränkt ist. Drittens limitiert zudem die Komprimierbarkeit des Füllfluids den maximalen Leitungsdruck, unter dem die Vorrichtung arbeiten kann.
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Selbst nachdem der Überdruckschutz einsetzt wird bei den gezeigten und anderen fluidgefüllten Ausführungen ein Bruchteil des Überdrucks für den Sensor weiterhin „sichtbar” sein, diesen als Druckspitze erreichen und potentiell schädigen. Dies liegt an der unbeabsichtigten Deformierung der internen Bauteile durch den zunehmenden Überdruckzustand, zu spätem Schliessen oder fehlenden Schutzräumen welche die noch durchgelassenen Druckspitzen abfedern könnten. Dies ist insbesondere kritisch, wenn der Sensor aus einer Miniatur-Silizium-Piezoresistiven oder Silizium-kapazitiven Art von niedriger Kapazität, Druckauflösungsbereich besteht, da diese Sensoren winzigen Volumenänderungen und kleinsten Druckspitzen gegenüber empfindlich sind.
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Zusätzlich können fluidgefüllte Ausführungen unbeabsichtigt kleine Moleküle durchlassen, beispielsweise Wasserstoff, was sich auf die Kalibrierung und Genauigkeit des Sensors auswirken kann. Auch sind fluidgefüllte Ausführungen grundsätzlich kostspieliger zu produzieren und erfordern umfangreiche Maßnahmen zur Entgasung und ordnungsgemäßen Füllung. Demnach bedürfen sie auch besserer Qualifikationsniveaus für die Montage und eine optimale Leistungseinstellung.
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Die erteilte Veröffentlichung Adams,
US 4668889 beschreibt eine Ausführung, welche Vorspannfedern in der internen Kompensations-Kammer verwendet. Diese Anordnung ermöglicht der Vorrichtung, unter Beibehaltung von Haltbarkeit und Robustheit massstäblich stärker verkleinert zu werden als andere Ausführungen. Für diese vorstehend beschriebene Ausführung sind jedoch zusätzliche Fluiddurchflussbegrenzer (Damper) notwendig, um ruckartige Bewegungen des Membran-Systems zu verhindern. Damit werden zusätzlich Druckspitzen abgefangen, jedoch ist dadurch eine für Prozesse ausreichend schnelle Reaktion bezüglich des gefragten Messwerts nicht mehr möglich, denn die Durchflussbegrenzer schränken die Reaktion des Sensorelements zu sehr ein. Als weiterhin wesentlich ist die Trägheit des Federsystems zu sehen, welche Druckspitzen nicht schnell genug abfängt und so diese schädlichen Spitzen zum Sensor durchläßt. Man könnte den Effekt verbessern, indem man schwächsre Federn verwendet, diese würden aber dann das Messergebnis am Sensor verfälschen. Dementsprechend befasst sich die hierin offenbarte Vorrichtung mit der Bereitstellung eines skalierbaren, schnellwirkenden und redundanten Über- und Unterdruckschutzsystems.
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ZUSMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf einen unterschiedlich aufgebauten Überdruckschutz ausgerichtet.
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Der Überdruckschutz umfasst jeweils einen Körper, welcher als Ventilgrundkörper zu betrachten ist, in welchen der Sensor und die Funktionen für den Überdruckschutz integriert sind; die beiden Körperhälften können durch O-Ringe, Flachdichtungen oder andere Dichtmittel zueinander abgedichtet sein;
der Körper umfasst zum Beispiel ein erstes Überdruckventil an einem ersten in offener Normal-Position gesicherten Druckanschluss; eine erste Membran angekoppelt am anderen Ende des ersten abgehobenen Überdruck-Stoppventils; ein zweites in offener Normal-Position Überdruck-Stoppventil welches gegenüber dem ersten gesicherten Überdruck-Stoppventil in Verbingung mit der ersten Membran, und zwar auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist;
sowie eine zweite Stufe von Ventilen;
wobei hierzu ein drittes und viertes Überdruck-Stoppventil mit einem elastischen Element gekoppelt sind;
das elastische Element ist hierbei eine zweite gemeinsame Membran welche zwischen zwischen den dritten und vierten Überdruck-Stoppventil angeordnet ist;
der Körper umfasst ferner einen Drucksensor welcher vorzugsweise innerhalb des Körpers angeordnet ist, und wobei seine elektrischen Anschlusspins nach aussen herausgeführt sind;
sämtliche drucktragenden Elemente des Körpers sind mit Druckkanälen, Bohrungen verbunden, welche nach aussen durch Stopfen abgeschlossen werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Differenzdruckmesssystem einen 2-phasigen Sensorschutz für einen Differenzdruckwandler, mit zwei direkt mit dem Anwendungsmedium zusammenarbeitenden Druckanschlüssen, zur Vermeidung von Zerstörung oder Fehlfunktionen oder Abweichungen bezüglich der Genauigkeit, indem der Sensor vor Überdruckspitzen oder Druckverlusten geschützt wird. Demzufolge bietet der jeweilige Druckanschluss eines Kanals mittels Überdrucksperrventilen, welche die Sensoröffnungs- oder Schliesskanäle innerhalb des Wandlersystems absichern, Schutz vor Überdruck und Druckverlust.
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Die Ausführung ist insbesondere ohne Durchflussbegrenzer ausgebildet, um auf sehr schnelle Druckspitzen oder Druckveränderungen mit hoher Reaktionszeit seitens des Sensors auch bei hohen Frequenzen reagieren zu können, und um hierbei die Messwerte gegfls. in Echtzeit für ein Prozessleitsystem ohne nenneswerte Latenzzeiten bereitzustellen. Hierfür wird jeder Druckanschluss durch einen Überdruck- und Druckverlustschutz mittels Ventile geschützt, die die Sensoröffnungs- oder Schliesskanäle innerhalb des Wandlersystems absichern, bei gleichzeitiger Durchlässigkeit für Druckschwankungen welche für den für den Sensor unschädlich sind und bezüglich schnellen Messwerten rasch sensiert und ausgewertet werden sollen.
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Hierzu strömt nach Verschluss aller Verbindungskanäle und nach Anschluss an einen drucktragenden Prozess oder Behälter ein Fluid einerseits in den ersten Druckanschluss, durch das erste Überdruck-Stoppventil, durch einen ersten Kanal im Körper zum dritten Überdruckventil, und dann durch einen zweiten Kanal zum Drucksensor. Nach dem Erreichen des Drucksensors von der einen Druckseite kann auch der andere Druckanschluss geöffnet oder angeschlossen werden, und das Druckfluid in einen dritten Kanal, durch das zweite Überdruckventil, in einen vierten Kanal zum vierten Überdruckventil, und zur anderen Seite des Drucksensors gelangen.
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Kommt es zu einer einseitigen Druckerhöhung im kritischen Bereich, biegt sich die Membran unter Druck durch, und das angekoppelte Stoppventil dichtet den Druckanschlusskanal ab. Sobald die Überdruck-Stoppventile einsetzen, verhindert diese sofortige Auslösung nahezu jegliche zusätzliche Druckübertragung an den Sensor. Vielmehr sinkt der interne Druck leicht, sobald der externe Druck steigt oder weiter steigt, weil dann die belastete Membran durch weitere Deformation, Durchbiegung den Druckraum auf der belasteten Seite hinter dem Stoppventil vergrößert. Die Überdruck-Stoppventile umfassen O-Ringe, die im Falle von Überdruck eine Abdichtung zwischen dem Ventileinsatz und dem Wandlerkörper ermöglichen. Da die O-Ringe der Überdruck-Stoppventile bei zunehmendem Druck komprimieren, wird die Membran derart oder weiter zur anderen Seite so verlagert, dass das interne Volumen vergrößert und dadurch der interne Druck hinter dem Stoppventil weiter gesenkt wird.
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Der Gebrauch einer Membran gegenüber einer Schraubenfeder ist auch vorteilhaft als Schutz gegen rapide Druckschwankungen. Gleichwie die Membran zum Verschließen des Eingangsdruckanschlusses auslenkt, erhöht sie auch das interne Volumen des hochdruckseitigen Hohlraums. Das steigende Volumen verfügt über eine drucksenkende Wirkung, durch die etwaige Druckspitzen ausgeglichen werden. Dies ermöglicht dem Wandler, eine sehr hohe Frequenzreaktion innerhalb des erlaubten Betriebsbereichs beizubehalten, wobei nach wie vor Schutz gegen zu hohe Frequenzüberlastungen oder Druckspitzen geboten wird. Die Reaktionsparameter können durch eine Änderung des Membranbereichs, der Fläche, also des Durchmessers, sowie der Membrandicke und des Wellen- oder Faltenprofils eingestellt werden.
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Die Geräteausführungen bieten eine Verbesserung der Kosten, Betriebssicherheit und Frequenzreaktion und Auslösezeiten der Stoppventile gegenüber vorhandenden Ausführungen. Zusätzlich überwinden die gezeigten Ausführungen die bisherigen Grenzen, die mit Füllfluide für Differenzdruck gegeben waren. Das Überdruckschutzsystem erlaubt nun auch höhere Frequenzen von Druckschwingungen und Schwankungen, erlaubt höheren Enddruck, und spricht hierbei aber zuverlässig und schnell bei Erreichen der Grenzen an.
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Weitere Anwendbarkeiten und Funktionen der Erfindung werden aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die detaillierte Beschreibung sowie spezifische Ausführungsbeispiele, wenngleich sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutern, ausschließlich zur Veranschaulichung dargestellt werden. Es sind Abänderungen und Ergänzungen im Rahmen der Erfindung denkbar, wie sie einem Fachmann in diesem Sachgebiet überlicherweise bekannt sind. Dies sind zum Beispiel Anpassungen der Durchmesser, der Abdichtung, der Materialien, des Sensors, der Verbindungskanäle, der Herstellung des Körpers – welche z. B. auch einstückig möglich ist. Desweiteren ist die Erfindung auch in Form von Baugruppen oder Zusatzmodulen vor einem Sensor als Zusatz verbaubar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend wird die Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, die ausschließlich zur Veranschaulichung dargestellt werden, jedoch nicht abschließend sind, näher erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt einen Querschnitt der Überdruckschutzvorrichtung und des Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1A hierbei einen räumlichen Schnitt
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1B hierbei den glatten Schnitt vor einer Unterdruckspitze
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1C hierbei ein Detail durch die erste Ventilstufe
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1D hierbei die erste Ventilstufe mit Auslenkung
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2 zeigt einen Querschnitt der Überdruckschutzvorrichtung und des Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3 zeigt eine Abbildung einer größeren Systemanwendung der beschriebenen Vorrichtung.
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Die Vorrichtung in 1A weist zwei Membranmechanismen auf, die vor Druckerhöhungen und Druckabfall schützen. Die Überdruck-Stoppventile 26 und 27 schützen beispielsweise vor zunehmendem Druck, Überdruck, Druckspitzen oder zu hohen Frequenzen und damit verbundenen Spitzen; die Überdruck-Stoppventile 28 und 29 schützen vor abrupter Druckentlastung. Zusammen bieten die beiden Ventilstufen insgesamt Überdruckschutz für eine innenliegende Sensormembran oder Sensorik im Differenzdrucksensor 30. Es wird darauf hingewiesen das Druck oder Unterdruck, insbesondere als Spitze immer in einem Druckbereich oberhalb des Vakuum absolut als Druck zu betrachten ist, Spitzen hieraus, egal in welcher Richtung belasten eine Sensormembran eventuell schädlich und führen z. B. zu Zerstörung oder Veränderung des Nullpunktes.
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Jedes der Überdruck-Stoppventile 26, 27, 28 oder 29 befindet sich in gesicherter, offener und unbeaufschlagter Position, im Wesentlichen senkrecht zu den Membranelementen 21 oder 22. Jedes der Überdruck-Stoppventile 26, 27, 28 oder 29 umfasst ein breites Ende oder einen Kopf, welcher eine Dichtung in die eine oder andere Richtung trägt, und an eine Absatzfläche dichtend zur Anlage gebracht werden kann. Jedes Überdruck-Stoppventil umfasst auch ein verjüngtes Ende, welches sich zum Membranelement 21 or 22 erstreckt, und hieran angekoppelt ist oder dort zur Anlage kommt. Die Membranelemente 21 oder 22 können beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung bestehen und können flach sein oder eine Wellenstruktur oder freie Form aufweisen. Allerdings ist es auch möglich, jegliche andere Struktur zu verwenden, die elastische Auslenkung erlaubt.
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Unter normalen Betriebsbedingungen weist die Vorrichtung zwei isolierte Volumen von Gas oder Fluid auf, welche die Membranelemente 21 und 22 umschließen. Der Austritt von Gasen oder Fluiden wird z. B. durch die Dichtungen 55, 56 verhindert. Gleichermaßen isoliert die Dichtung 57 den Drucksensor zum äußerem Druck. Diese von der Dichtung vorgesehene Trennung könnte jedoch auch durch O-Ringe, elastomere Dichtungen, Klebstoffe, Verschweißen oder metallene Kompressions- oder Dichtmechanismen erbracht werden.
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Die Vereinbarkeit eines bestimmten Gases oder Fluids mit Dem Sensor kann durch den Gebrauch von verschiedenen Drucksensorelementen 30 verändert, angepasst werden. Es sind Sensoren mit metallischen, keramischen Membranen denkbar, wie auch aus Silizium. Das Sensorelement 30 kann wie dargestellt innerhalb der Vorrichtung angeordnet werden. Es kann auch extern angeordnet und mittels Schläuchen oder Rohren verbunden werden. Externer von der Vorrichtung zu messender Druck wird über die Anschlüsse 50 und 51 an die internen Flüssigkeits- oder Gasvolumina, eingeschlossenen Fluide übermittelt. Auch kann hierfür eine weitere Membran vorgeschaltet sein.
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Unter normalen Betriebsbedingungen erfolgen Druckänderungen z. B. am Anschluss 50 und werden um das Überdruck-Stoppventil 26 geleitet. Die Druckänderungen setzen sich durch den Fluidkanal 60 fort, um das Überdruck-Stoppventil 28 herum und durch die Fluidkanäle 58 und 59 zum Sensor 30. An dieser Stelle wird die Druckänderung vom Drucksensorelement wahrgenommen und elektisch ausgegeben. Das in 1A dargestellte Ausführungsbeispiel ist symmetrisch, mit einem ähnlichen, vom Anschluss 51 ausgehenden Strömungsweg durch die Kanäle 58' auf der anderen Seite des Sensors.
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Die dynamischen Eigenschaften der Druckverlauf-, Ventil- oder Überdruckreaktion können auf verschiedene Weisen abgeändert werden, einschließlich: Änderung von Kanaldurchmesser und -länge, Änderung des Kopfdurchmessers der Überdruckstopps 26, 27, 28 oder 29, Änderung des Durchmessers der Membrane 22 und 21, oder Änderung der Masse der Überdruck-Stoppventile 26, 27, 28 und 29. Zudem können diese Merkmaländerungen asymmetrisch umgesetzt werden. Solche Änderungen ermöglichen eine Anpassung der Ausführung zum Schutz vor allen erdenklichen Drucküberlastungen und während aller möglichen Zeitdauern. Dieses schützt den Sensor 30 und ermöglicht der Vorrichtung zugleich, die Amplitude und Dauer jedes Drucksignals präzise an den Sensor 30 zu übertragen.
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Sollte der Druck des einen Druckanschlusses im Verhältnis zum anderen wesentlich höher sein, bewegen sich die Überdruck-Stoppventile 26 oder 27 zum Anschluss mit dem niedrigerem Relativdruck. Wenn ein O-Ring 36 oder 37 im Überdruckstopp 26 oder 27 im Körper 53 oder 54 zur Anlage kommt, isoliert der O-Ring die innere Kammer mit dem hohen Relativdruck vom Anschluss mit dem höheren Relativdruck. Wenn sich die Überdruck-Stoppventile 26 oder 27 verschieben und der O-Ring dort zur Anlage kommt, bewirkt die weitere Deformierung des O-Rings eine Verschiebung der Membran 22 und erhöht das Volumen in dem Hohlraum welcher mit dem höheren Relativdruck beaufschlagt ist, und wirkt sich so weiter schützend auf den Sensor 30 aus. Die Membran 22 kann auch zur Erzeugung der gleichen Wirkung durch federbasierende Ventile oder ähnliches ersetzt werden, sowie mit Zusatzfedern in ihrer Wirkung verstärkt oder an Anwendungen angepasst werden.
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Das so erhöhte Volumen verringert den Druck im Hohlraum. Dieser Effekt wird beibehalten während der O-Ring sich verformt, bis sich ein Gleichgewicht mit dem Außendruck einstellt. Dieser Effekt ist bei rapiden Druckzunahmen vorteilhaft, bei denen die Überdruck-Stoppventile 26 oder 27 sich allein nicht schnell genug bewegen würden, um vor einer Druckspitze zu schützen. Obwohl in dieser Ausgestaltung O-Ringe gezeigt werden, können genausogut auch andere bekannte Abdichtungsmethoden verwendet werden, beispielsweise Abdichtungsmethoden wie Flachdichtungen, Lippendichtungen, oder Kugeln, oder Kegel zu einer Dicht-Oberfläche.
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Die Vorrichtung nach 1A schützt auch vor plötzlichen Druckabnahmen, Druckabfall an Anschluss 51 oder 50. Es ist nicht ungewöhnlich, aufgrund der geringfügigen Unterschiede zwischen zwei sich unter hohem Druckeinfluss befindenden Bereichen einen sehr niedrigen Differenz-Druck zu messen, beispielsweise bei der Messung einer Hochdruckströmung oder bei Füllstandsmessungen in einem Druckbehälter. Hierbei kann es auch zu Druckabfallspitzen kommen, welche ddie Sensormembran des Sensors 30 genauso schädigen können wie eine Druckspitze. Ohne einen Schutz hiergegen würde der Sensor bei plötzlichem Druckabfall von einer Seite zerstört werden. Die Überdruck-Stoppventile 28 und 29 und die Membran 21 schützen vor dieser Art von Vorfällen durch Abdichtung der Kanalpfade über die O-Ringe 38 und 39. Die Membran 21 oder 22 mit ihrer Federfunktion kann auch durch ein Element mit einer oder zwei Federn ersetzt werden, um federbasierende Ventile zu schaffen. Ferner könnten federbasierende Ventile den Kanälen zugefügt werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen.
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Die Vorrichtung nach 1B zeigt die Anordnung aus 1A im direkten Schnitt für den Fall eines Druckabfalls mit Funktionspfeilen. Hierbei sind die Druckkanalbohrungen durch Schrauben 3 und 3' schon für einen Einsatz der Anordnung verschlossen. Wenn bei einem Druckanschluss 50 ein Druckabfall im Vergleich zum anderen Anschluss 51 auftritt, bewegt sich die Membran 21 durch die Druckdifferenz und die damit resultierende Kraft, und bewegt ebenso die angekoppelten Überdruck-Stoppventile 28 oder 29 zur Seite des geringeren Relativdrucks. Der O-Ring auf dem Überdruck-Stoppventil 28 kommt an seinem Anschlag zur Anlage und dichtet den Druckhohlraum, den Druckpfad 58 ab, wobei der Kanal vom Sensor abgegrenzt, abgeschlossen und geschützt wird. Dies verhindert einen weiteren Druckabfall auf der Sensor-Seite des geringeren Relativdrucks. Die Dichtungsqualität bestimmt, wie lange der Schutz gewährleistet wird, als Dichtwerkstoff sind alle Gummiarten von NBR über Viton bis Silikon und andere gebräuchliche Dichtwerkstoffe denkbar. Insbesondere kann auch die Gummihärte der Dichtungen entscheidend sein. Besonders weiche Dichtungen im Bereich 20–50 Shore sind aber ebenso verwendbar wie 50–70 Shore.
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1C zeigt die erste Überdruckventilstufe in Ruhelage im Normalbetrieb: Die beiden Stoppventile sind hierbei mittels einer durch die Membran 22 durchgreifenden Schraube 80 an die Membran angekoppelt. Eine Feineistellung des Ventilhubs ergibt sich beispielsweise durch Abschleifen der Länge am Durchmesser des zur Membran zeigenden Ventilstößelendes.
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1D zeigt das Ansprechen der ersten Überdruckventilstufe bei Überdruck am linken Anschluss: Durch Einwirkung des Drucks auf die Membranfläche 22 gibt diese nach und bringt das Stoppventil 26 zur Abdichtung. Darüber hinaus verursacht die Auslenkung der Membran 21 während dieser Situation eine Volumenzunahme auf der Seite mit dem höheren Relativdruck. Während der Druckabfall auf der einen Seite gestoppt wird, wird der Druck somit zeitgleich auf der Seite mit dem höheren Relativdruck reduziert. Dieses Zusammenwirken gewährleistet Schutz bei rapiden Druckabnahmen, beispielsweise auch wenn eine Druckleitung reisst. Druckpeaks auf der gleinen Grafik die bis zum Niveau B reichen lösen hierbei den Hub der Membran, der Ventilanordnung aus.
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Die Überdruck-Stoppventile 26 und 27 können auch leicht an nicht-differenzielle Druckeinheiten angepasst werden. Durch das Entfernen der Elemente 21, 27, 28 und 29 ist der Überdruckschutz nicht mehr bidirektional und für einzelne Drucköffnungssensoren geeignet. Die Vorrichtung in 1A–1D zeigt ein kostengünstiges Sensormodul 30. Jedoch könnte fast jeder Dehnungsmesser sowie piezoresistiver oder kapazitiver Drucksensor in die Ausführung aufgenommen werden. Dieser Sensor kann elektrisch mit einem Rechner oder anderem Messaufnahmegerät analag über 4–20 mA Signal, oder digital, z. B. über das HART Protokoll verbunden werden.
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Die Vorrichtung in 2 zeigt eine zweite Ausführung, die Überdruckschutz für einen Differenzdrucksensor bietet. Die Überdruck-Stoppventil Anordnung 23, 24 und 25 ist der Überdruck-Stoppventil Anordnung 22, 26 und 27 in 1 ähnlich, deren Arbeitsweise vorstehend beschrieben wurde. Bei Bedingungen, unter denen ein Druckanschluss im Vergleich zum anderen Anschluss einem wesentlichen Druckabfall unterliegt, bieten die Überdruckventile (Bypassventile) 40 und 41 Schutz, indem sie der Seite des höheren Relativdrucks ermöglichen, zur Seite des niedrigeren Relativdrucks zu entlüften, wobei der Sensor umgangen wird. Die Überdruckventile 40 und 41 sind in geschlossener Position durch die Federn 43 und 43' oder andere Druckelemente vorgespannt. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 1 ist, dass dieser Schutz sehr robust und langlebig ist. Die Überdruckventile 40 und 41 können aus zylinderförmigen Tauchkolbenventilen bestehen.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 bietet Überdruckschutz durch das Kombinieren des von der Membran 22 gewährten Hochdruckschutzes und der Feder-Überdruckventile, By-Pass-Ventile 40 und 41. Die Betriebssicherheit dieser Ausführung wird durch die Hinzufügung der beidseitigen Dichtung 20 an der Membran verbessert. Durch die Einbeziehung der Membran 23 und der Überdruck-Stoppventile 24 und 25 kann die Vorrichtung nun auch bei hohen Durchflussmengen oder rapiden Druckänderungen geschützt werden, ohne dabei auf Durchflussbegrenzer, Dämpfungselemente angewiesen zu sein, welche das Sensorsignal verfälschen. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel in 1 berühren jeweils die Überdruck-Stoppventile 24 oder 25 die Membran 23 mittels eines in der Bohrung des Ventilkolbens eingeleiteten Stifts oder einer Feingewindeschraube 48 oder 49. Für Anpassungen oder Feinabstimmungen kann an der Stifteintauchlänge der Ventilsitz einfach justiert werden, ohne eine Anpassung des Tauchkolbens selbst. Anstelle des Stifts könnte auch eine Schraube oder ein anderer Abstandhalter eingesetzt werden, um die auf die Membran drückenden Ventile einzustellen, hierbei können die Ventile dann Durch Drehung über den Schlitz 27' eingestellt werden, und beispielsweise über Industriekleber, Loctite am Gewinde gesichert werden. Hierzu kann auch eine Schraube ein- oder zweiteilig durch die Membran dichtend durchgeführt sein.
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Die Überdruck-Stoppventile 40 und 41 können jeweils innerhalb des Körpers koaxial auf einer Ebene angeordnet sein, ähnlich wie die Überdruck-Stoppventile 24 und 25. Diese Anordnung würde die von den Gehäuseteilen 53 und 54 benötigte Höhe reduzieren. Jedoch würde man auch mehr Bohrungen benötigen, um die Ventile in dieser Höhe mit den Fluidkanälen zu verbinden.
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Der Gebrauch von Überdruckventilen wie eongangs erwähnt beeinträchtigen die Betriebssicherheit der Einheit. Um Drucksensoren im niedrigen Bereich Schutz zu bieten, müssen die Überdruckventile mit einer relativ niedrigen Federkraft eingestellt sein. Dies wiederum ermöglicht eine kleine Menge an Leckage zwischen den Seiten, sogar unter normalen Betriebsbedingungen. Dies führt zu Ungenauigkeiten bei der Druckmessung. Zudem ist die Leckage von Fluid bei einigen Systemen nicht akzeptabel. Bei der in 1 gezeigten Ausführung dieser Anwendung wird etwaige Leckage zwischen den Seiten bei normalen Bedingungen sowie bei Überdruckzuständen aber komplett beseitigt.
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Durch Nutzung der Überdruckventile wird im Stand der Technik nicht nur die Betriebssicherheit unter normalen Betriebsbedingungen beeinträchtigt, sondern auch bei Überdruckzuständen. Der Überdruckschutz in 1 ist unter normalen Betriebsbedingungen nicht vorgespannt und, anders als bei Federn, nicht in der Biegemembran langfristig der Relaxation unterworfen. Er ist auch weniger anfällig gegenüber galvanischer Korrosion, wie beispielsweise bei den Anschlägen von Adams, siehe vorne. Korrosion könnte den Überdruckschutz langfristig daran hindern, sich während Überdruckzuständen zu öffnen, oder unter normalen Bedingungen Leckage zulassen.
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Manchmal überwiegen jedoch die Vorteile die Nachteile bei der Einbindung von Überdruckventilen. Beispielsweise können sie die Kosten bei manchen Anwendungen senken. Die Vorrichtung in 2 bietet Überdruckschutz durch eine Kombination von durch die Membran gebotenem Hochdruckschutz und federbelasteten Über-/Unterdruckventilen. Diese Ausführung wird durch die Hinzufügung von O-Ring Dichtungen 36, 37, 38 und 39 an seiner Betriebssicherheit verbessert. Durch die Einbeziehung der Membran und der Überdruck-Stoppventile kann die Vorrichtung nun auch vor großen Durchflussmengen oder rapiden Druckänderungen schützen, ohne auf die Durchflussbegrenzer von Adams angewiesen zu sein. Hierdurch kann der Sensor eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit auf Druckänderungen innerhalb des normalen Betriebsbereichs beibehalten.
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3 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung, einen aus den zwei Teilen 53, 54 und den Bolzen 2 zusammengesetzten Wandler 1. Das Sensorelement 30 mit den Signalausgangsleitungen 31 kann durch ein mit gestrichelten Linien dargestelltes, durch Bolzen 3 verbundenes und in Aussparungen 44 des Kopfes 32 aufgesetztes Verbindungselement oder durch einen Schutzkopf 32 bedeckt sein. Der Kopf 32 kann über eine elektronische Schaltung verfügen, die das Signal des Sensors 30 und dessen Verbindungsstifte in ein branchenübliches Signal umsetzt, welches dann über die Leitung 45 an eine Zielvorrichtung oder einen Prozess-Schaltraum übertragen werden kann. Die Druckanschlüsse 51 und 50 des Wandlers sind über Fluidleitungen 11 und 12 mit dem Endstück 10 (anderes Endstück nicht dargestellt) und den Anschlüssen 13 und 14 des Behälters 15 verbunden. Mit dem Differenzsensor könnte ein statischer Druck eines Fluidniveaus im Behälter ohne Einfluss eines inneren Drucks P des Behälters gemessen werden. Der Drucksensor 30 könnte auch im Kopf 32, oder extern, angeordnet sein, und mittels Fluidrohren mit dem Überdruckschutz über externe Anschlüsse interner durch Bolzen 3 verschlossene Fluidbahnen vebunden werden.
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Der Wandler ist z. B. zum Betrieb bei 500 mBar Endwert vorgesehen, gegebenenfalls ist er auch bis über 200 PSI anwendbar. Die Ventile sind generell so ausgestaltet, dass sie sich oberhalb des vollen Skalenendwertbereichs und unterhalb des Sensorprüfdrucks öffnen. Beispielsweise kann der Öffnungsdruck auf ca. 10 psi eingestellt werden. Dies entspricht einer Membrandicke von ca. 0,015 cm (0,006 Zoll) Dicke, mit einem Durchmesser von 2,667 cm (1,050 Zoll), und einem Reaktions-Hub (Abstand zwischen Dichtung 55 oder 56 und Dichtungsfläche) von ca. 0,0381 cm (0,015 Zoll). Niveau und Volumen des Behälters 15 sind im Wesentlichen proportional zum gemessenen Druck, bzw. bei Veränderung zur Druckänderung P.
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4 ist ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das den aus den zwei Teilen 53 und 54 und dem Kopf 32 zusammengesetzten Wandler 1 zeigt, wobei der Kopf ein Sensorsignal von 4–20 mA Standardspannung an einen analogen oder HART oder jeglichen anderen Feldbus abgibt. Mithilfe des Differenzsensors und Überdruckschutzes könnte ein Fluidfluss in den Rohren 71 und 70, die bei 72 und 73 miteinander verbunden sind, durch Bildung der Differenz zwischen dem Normaldruck am Anschluss 76 und dem Druck an einer stromabwärtigen Stelle 74 am Anschluss 75 gemessen werden.
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Nachdem die Erfindung somit beschrieben wurde, wird es offensichtlich sein, dass dieselbe auf viele Arten variiert werden kann. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung zu betrachten, und alle solchen Modifikationen, die dem Fachmann auf dem Gebiet klar sein werden, sollen im Geltungsbereich der folgenden Ansprüche enthalten sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4072058 [0004]
- US 4329877 [0005]
- US 4668889 [0009]
