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Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Prozessanschluss und einem Gehäuse. Der Prozessanschluss dient dazu, das Messgerät mit dem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter zu verbinden und eine Druckmesszelle als Messwandler für den Prozessdruck, z. B. eine piezoresistive oder kapazitive Messzelle, aufzunehmen. Das Gehäuse enthält eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung und weist einen Steckeranschluss auf, über den das Messgerät mit Energie versorgt wird und über den die erzeugten Messsignale zur weiteren Verarbeitung in einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. in einer SPS, abgegriffen werden können.
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Kapazitive Messzellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Abstandsring, bspw. als Glaslotring ausgeführt, angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.
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Der Prozessanschluss weist mediumsseitig eine nach innen ragende, ringförmige Anschlagfläche auf, auf der die Druckmesszelle aufliegt. Für die Abdichtung des Gehäuses zum Medium hin ist zwischen der Druckmesszelle und dem Prozessanschluss typischerweise ein Dichtring angeordnet, bspw. eine ringförmige Flachdichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE), wie aus der
DE 196 28 551 B4 bekannt ist. Kapazitive Druckmesszellen werden typischerweise über ein als Gewindering ausgeführtes Stützelement in den Prozessanschluss eingeschraubt, so dass die Druckmesszelle zwischen dem Gewindering und der nach innen ragenden, ringförmigen Anschlagfläche des Prozessanschlusses axial eingespannt ist.
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Es wird also durch die Einspannung von zwei Seiten Kraft auf die Druckmesszelle ausgeübt: Einerseits drückt der Gewindering auf den Grundkörper der Messzelle, andererseits drückt die Anschlagfläche des Prozessanschlusses bzw. der darauf liegende Dichtring auf die Membran. Jede Änderung der Positionen der Kontaktstellen und damit der an den Kontaktstellen wirkenden Kräfte kann zu einer geringförmigen Beeinflussung der Messzelle führen.
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Aus der
DE4416978C2 ist bekannt, am Umfang des Stützelements durch Zwischenräume voneinander getrennte beinförmige Bereiche anzuordnen. Diese beinförmigen Bereiche liegen flächig am Grundkörper der Druckmesszelle auf. In
2 ist eine derartige Anordnung dargestellt.
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Untersuchungen haben hierbei ergeben, dass es trotz der flächigen Auflage infolge einer Temperaturänderung eine Verschiebung des Auflagedrucks geben kann. Folglich kann bei diesem bekannten Aufbau eine richtungsabhängige Temperaturhysterese unter bestimmten Bedingungen auftreten.
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In der
DE102004057967A1 ist ein Drucksensor offenbart, bei dem zur Reduzierung der Temperaturhysterese mediumsseitig ein Entkopplungsring angeordnet ist, der unerwünschte Kräfte und Momente von der Druckmesszelle fernhält.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckmessgerät der eingangs genannten Gattung mit deutlich verbesserter Temperaturhysterese vorzuschlagen, so dass eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weisen die Unterseiten der beinförmigen Bereiche des Stützelements jeweils eine kreisbogenförmige, buckelartige Erhebung auf. Die Druckmesszelle wird vom Stützelement damit nur in einem quasi linienförmigen Bereich abgestützt, d.h. die Auflagefläche des Stützelements auf der Druckmesszelle ist nunmehr reduziert auf diesen Bereich. Dadurch ist die Position des maximalen Kontaktdrucks genauer definiert und kann sich nur geringfügig durch die nach wie vor vorhandene Kräfteverlagerung zwischen Stützelement und Druckmesszelle ändern, um die Temperaturhysterese zu optimieren. Die Temperaturhysterese kann also durch die geänderte Geometrie am Stützelement nicht vollständig vermieden, jedoch deutlich reduziert werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zwischen dem Stützelement und der Druckmesszelle eine Folie aus Polyimid (PI) angeordnet ist, so dass die buckelartige Erhebung auf dieser Folie aufliegt. Zwischen Stützelement und Druckmesszelle wird damit die Temperaturhysterese durch einen unter bestimmten Extrembedingungen nötigen verminderten Widerstand in Bezug auf eine mögliche Kräfteverlagerung reduziert.
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Des Weiteren hat die Verwendung dieser Folie den Vorteil, dass aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Kunststoffes die gesamte Druckmesszelle in kurzer Zeit in ein thermisches Gleichgewicht mit dem zu messenden Medium gebracht wird, weil die Ableitung der Wärme von der Druckmesszelle über das Stützelement zum Messgerätegehäuse erschwert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die kreisbogenförmigen, buckelartigen Erhebungen nahezu im gleichen Abstand vom Umfang der Druckmesszelle angeordnet sind wie das Dichtelement zwischen der Anschlagfläche und der Druckmesszelle, d.h. die Erhebung als Ganzes betrachtet liegt senkrecht über dem Dichtelement. Damit ist der Kraftfluss beim Einspannen der Druckmesszelle nahezu senkrecht und die Messzelle erfährt dadurch eine geringere Beeinflussung.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass alle kreisbogenförmigen, buckelartigen Erhebungen zusammen eine – durch die Zwischenräume unterbrochene – ringförmige Gestalt ergeben, d.h. alle Kreisbögen den gleichen Radius bzw. den gleichen Abstand zur gemeinsamen Längsachse von Druckmesszelle und Stützelement besitzen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 ein Druckmessgerät für die Prozessmesstechnik,
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2 einen Längsschnitt durch den Prozessanschluss eines Druckmessgeräts nach dem Stand der Technik,
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3 einen Längsschnitt durch den Prozessanschluss eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts mitsamt eines vergrößerten Ausschnitts und
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4 einen Querschnitt durch den Prozessanschluss des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts gemäß 3.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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In 1 ist ein Druckmessgerät 1 dargestellt, wie es von der Anmelderin hergestellt und vertrieben wird. Auf einem Prozessanschluss 2 ist ein Gehäuse 4 aufgesetzt. Über den Prozessanschluss 2 wird das Druckmessgerät 1 mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden. Zumeist erfolgt diese Verbindung mittels eines an den Behälter angeformten Flansches oder eines entsprechenden Adapters. Auf dem Gehäuse 4 befindet sich eine Anzeige- und Bedieneinheit 7, über die die Messergebnisse angezeigt werden und diverse Einstellungen durch das Bedienpersonal vorgenommen werden können, wie bspw. Festlegung eines Schaltpunkts oder Anzeige der Messwerte in verschiedenen Maßeinheiten. Ebenfalls von der Erfindung mit umfasst sind jedoch auch sogenannte Transmittergeräte, die keinerlei Anzeige- oder Bedieneinheit aufweisen und lediglich ein dem Messergebnis entsprechendes analoges Spannungs- oder Stromsignal ausgeben, das in einer übergeordneten Steuereinheit ausgewertet wird. Seitlich am Gehäuse 4 ist ein Steckeranschluss 8 angeordnet, über den das Druckmessgerät 1 mit Energie versorgt wird und der als elektronische Schnittstelle fungierend die erzeugten Messsignale zur weiteren Verarbeitung der genannten Steuereinheit, bspw. einer SPS, zur Verfügung stellt.
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2 zeigt ein Schnittbild durch den Prozessanschluss 2 eines Druckmessgeräts 1 nach dem Stand der Technik. Dargestellt ist der Prozessanschluss, der mediumsseitig eine nach innen ragende, umlaufende Anschlagfläche 10 aufweist. Auf dieser Anschlagfläche 10 liegt die Druckmesszelle 3 aus Keramik mit ihrer Membran 3a auf, wobei dazwischen typischerweise noch ein Dichtelement 20 angeordnet ist, um das Messgerät 1 zum Medium hin abzudichten. Auf der entgegengesetzten Seite der Druckmesszelle 3, d.h. auf deren Grundkörper 3b, liegt ein Stützelement 5 auf, das vorliegend als Gewindering ausgebildet ist. Der Gewindering 5 ist typischerweise aus Messing und weist ein Außengewinde auf, mit dem er in den Prozessanschluss 2 eingeschraubt wird. Damit ist die Druckmesszelle 3 axial fest zwischen der Anschlagfläche 10 des Prozessanschlusses 2 und dem Gewindering 5 eingespannt. Selbstverständlich sind auch andere form- oder kraftschlüssigen Verbindungsarten denkbar, um das Stützelement 5 fest im Prozessanschluss 2 zu halten. Da die Gewindeverbindung hierbei eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, wird im Folgenden nur noch von einem Gewindering 5 gesprochen.
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Der Gewindering 5 weist im unteren Bereich am Umfang angeordnete, durch Zwischenräume 5b voneinander getrennte beinförmige Bereiche 5a auf, mit denen er auf dem Grundkörper 3b der Druckmesszelle 3 aufliegt. Dabei ist zu erkennen, dass die beinförmigen Bereiche 5a über die gesamte Fläche ihrer Unterseite auf der Messzelle 3 aufliegen. Wie eingangs bereits erläutert, haben entsprechende Untersuchungen ergeben, dass sich trotz der flächigen Auflage der Auflagedruck nicht gleichmäßig über die gesamte Auflagefläche zwischen den beinförmigen Bereichen 5a des Gewinderings 5 und der Messzelle 3 verteilt, sondern dass es eine Konzentration des Auflagedrucks gibt und dass sich dessen Position temperaturabhängig in radialer Richtung verändert.
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Deshalb schlägt die Erfindung gemäß der Darstellung in 3 vor, dass die Unterseiten der beinförmigen Bereiche 5a des Gewinderings 5 jeweils eine kreisbogenförmige, buckelartige Erhebung 5c aufweisen, so dass die Druckmesszelle 3 vom Gewindering 5 nicht mehr über die gesamte Unterseitenfläche der beinförmigen Bereiche 5a, sondern nur in einem quasi linienförmigen Bereich abgestützt wird. Der vergrößerte Ausschnitt in 3 verdeutlicht dies. Alle kreisbogenförmigen, buckelartigen Erhebungen 5c zusammen ergeben damit eine nur durch die Zwischenräume 5b des Gewinderings 5 unterbrochene ringförmige Gestalt, d.h. alle Kreisbögen besitzen den gleichen Radius bzw. den gleichen Abstand zur gemeinsamen Längsachse von Druckmesszelle 3 und Gewindering 5. Die Länge des Kreisbogens entspricht folglich der Abmessung der beinförmigen Bereiche 5a.
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Damit wird ein in seiner Position genau definierter Kontaktbereich zwischen Druckmesszelle 3 und Gewindering 5 geschaffen, der sich folglich trotz der nach wie vor vorhandenen Kräfteverlagerung nur noch geringfügig zwischen Druckmesszelle 3 und Gewindering 5 verändern kann. Die Kräfteverlagerung zwischen Druckmesszelle 3 und Gewindering 5 aus dem Zusammenspiel der Materialien Keramik der Druckmesszelle 3 und Messing des Gewinderinges 5 wird durch die Erfindung optimiert. Da die Materialauswahl jedoch aus anderen Betrachtungen heraus nicht geändert werden soll, bspw. aufgrund chemischer Beständigkeit und aus Stabilitätsgründen, muss die Kräfteverlagerung zwischen den Teilen aufgrund eines unvermeidbaren Temperatureinflusses in Kauf genommen werden. Die Erfindung stellt hierzu aber eine Lösung dar, wie die Auswirkungen dieses Effekts weitest möglich ausgeglichen werden können.
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Vorteilhafterweise ist zwischen dem Gewindering 5 und der Druckmesszelle 3 noch eine Folie 6 aus Polyimid (PI) angeordnet. Die buckelartige Erhebung 5c liegt somit nicht unmittelbar auf der Oberseite des Grundkörpers 3b auf, sondern auf dieser Folie 6. Der Vorteil besteht nun darin, dass das Zusammenspiel zwischen Folie 6 und dem Gewindering 5 in Bezug auf die Temperaturhysterese hin optimiert werden kann. Des Weiteren hat die Verwendung dieser Folie 6 den Vorteil, dass aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polyimid die gesamte Druckmesszelle 3 in kurzer Zeit in ein thermisches Gleichgewicht mit dem zu messenden Medium gebracht wird, weil die Ableitung der Wärme von der Druckmesszelle 3 über den Gewindering 5 zum Prozessanschluss 2 bzw. Messgerätegehäuse 4 erschwert wird.
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Zu erkennen ist des Weiteren, dass die buckelartige Erhebung 5c nahezu im gleichen Abstand vom Umfang der Druckmesszelle 3 angeordnet ist wie das Dichtelement 20 zwischen der Anschlagfläche 10 und der Druckmesszelle 3, d.h. die Erhebung 5c liegt senkrecht über dem Dichtelement 20. Damit ist der Kraftfluss beim Einspannen der Druckmesszelle 3 nahezu senkrecht und die Messzelle 3 wird dadurch stabil geführt.
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4 zeigt einen Querschnitt durch den Prozessanschluss 2 des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1 gemäß 3 mit Sicht von oben, wobei der Schnitt durch die buckelartigen Erhebungen 5c geht. Im Vergleich zu 3 ist die Darstellung hier etwas kleiner gewählt.
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Deutlich zu erkennen sind die – vorliegend vier – kreisbogenförmigen, buckelartigen Erhebungen 5c. Der Vollständigkeit halber wurden noch die beinförmigen Bereiche 5a des Gewinderings 5 bezeichnet, da sich die Erhebungen 5c auf der Unterseite dieser die beinförmigen Bereiche 5a befinden. Alle kreisbogenförmigen, buckelartigen Erhebungen 5c ergeben zusammen eine nur durch die Zwischenräume 5b unterbrochene ringförmige Gestalt. Damit haben alle Kreisbögen den gleichen Radius bzw. den gleichen Abstand zur gemeinsamen Längsachse von Druckmesszelle 3 und Gewindering 5. Auf der Druckmesszelle 3 ist die Polyimid-Folie 6 angeordnet, die hier nicht weiter gekennzeichnet ist. Die Folie 6 ist im Bereich der Zwischenräume 5b ausgespart, um eine elektrische Kontaktierung der Druckmesszelle 3 zu ermöglichen. Die dafür benötigten Bohrungen sind im Bereich der Zwischenräume 5b angedeutet. Neben den drei Bohrungen für die drei Elektroden ist die vierte Bohrung zur Entlüftung bzw. Druckausgleichs im Inneren der Messzelle 3 vorgesehen.
