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Die Erfindung betrifft ein zweiteiliges Druckmessgerät für die Prozessmesstechnik mit einem Drucksensor und einer Druckmittlereinheit.
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Drucksensoren werden zur Überwachung und Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen eingesetzt. Sie bestehen typischerweise aus einem Gehäuse und einer Druckmesszelle. Auf der dem Medium zugewandten Seite ist im Gehäuse eine Öffnung ausgebildet, durch die eine Seite der Druckmesszelle mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht. In der Druckmesszelle wird dann der anliegende Druck in ein proportionales Messsignal umgewandelt.
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Ein Einsatzbereich solcher Drucksensoren ist beispielsweise die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien, insbesondere verschiedener Flüssigkeiten überwacht oder gemessen wird. Dabei gibt es je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsvarianten, wobei sich der Aufbau und die Auslegung der Drucksensoren in Abhängigkeit des erwarteten maximalen Nenndrucks des zu überwachenden Mediums unterscheiden.
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Oftmals ist es gewünscht, die Elektronik zur Signalauswertung aus dem Sensorbereich in den rückwärtigen Bereich zu verlagern, so dass eine Temperaturentkopplung des zu messenden Mediums von der eigentlichen Druckmembrane der Druckmesszelle erreicht wird. Deshalb kommen Druckmittler zum Einsatz, die verhindern, dass das Medium direkt an der Druckmesszelle anliegt.
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Typischerweise werden derartige, aus dem eigentlichen Drucksensor und dem Druckmittler bestehende Druckmessgeräte nicht separat als Ganzes hergestellt, sondern der Drucksensor ist als üblicher, auch ohne Druckmittler verwendbarer Sensor ausgeführt. Besonderer Bedeutung kommt in diesem Fall der Verbindungsstelle zwischen dem Drucksensor und dem Druckmittler zu. Beispielsweise ist ein Homogenisierer zu nennen, bei dem mittels Pumpen Emulsionen, z.B. Milch, durch einen federbelasteten Ventilspalt gepresst werden. Die Entlastung der Flüssigkeit mit Druckunterschieden von mehreren Hundert Bar führen zum Bersten der Fettkügelchen. Bei diesem Verfahren treten hohe Druckspitzen auf und die Spanne der einwirkenden Drücke ist insgesamt sehr breit, was eine entsprechende Beanspruchung dieser Verbindungsstelle sowie der entsprechend notwendigen Dichtungen nach sich zieht.
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Ein Druckmittler besteht im Wesentlichen aus einer eigenen sehr dünnen Membrane und einem Druckkanal, der mit einem flüssigen Medium gefüllt ist und über den der Druck ohne Verfälschung an die Membrane der eigentlichen Druckmesszelle weitergeleitet wird. Wichtig dabei ist, dass der Bauraum, in dem sich die Druckmittlerflüssigkeit befindet, absolut dicht ist. Bei minimaler Leckage tritt die Druckmittlerflüssigkeit aus und die empfindliche Druckmittlermembrane kann beschädigt werden.
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Bei Schweißverbindungen besteht die Gefahr, dass, wenn diese im Bereich von engen druckführenden Kanälen angebracht wird, sie durch pulsierende Dauerbelastung bei Drücken von vielen Hundert Bar den entstehenden Kräften nicht dauerhaft standhalten kann. Kerbwirkungen und der Zwang, den Durchmesser des Druckkanals möglichst klein zu bleiben, um die Angriffsfläche für die Druckflüssigkeit im Querschnitt zu reduzieren (F=p x A), verhindern, dass die Schweißnaht im Durchmesser nach außen verlagert werden kann. Ähnlich verhält es sich beim Einsatz von Elastomeren, die durch die enorme Druckdynamik auf sehr hohem Druckniveau schnell altern würden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zwischen einem herkömmlichen Drucksensor und einem Druckmittler eine dauerhaft dichte und auch einem mit Pulsation überlagerten hohen Druck standhaltende Verbindung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch ein Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausgehend von der zuvor beschriebenen Situation ist soll die Dichtstelle von der die Kräfte aufnehmenden Stelle getrennt werden. Dafür bietet sich eine Verpressung über eine metallische Dichtstelle im kleinstmöglichen Durchmesser an, während die Verbindungsstelle, insbesondere eine Schraubverbindung, zwischen Drucksensor und Druckmittler in einem nach außen verlagerten Bereich mit größerem Durchmesser angeordnet ist und dort die Kraft aufgenommen wird.
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Erfindungsgemäß weist dafür der Druckkanal des Drucksensors in einem unteren, dem Druckmittler zugewandten Ende einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf und in diesem Bereich ist ein Dichtröhrchen - vorzugsweise mit Spielpassung - angeordnet, das axial zwischen dem Drucksensor und dem Druckmittler eingespannt ist. Dabei sind alle sich berührende Teile aus Metall. Das Dichtröhrchen selbst weist ebenfalls eine Durchgangsbohrung auf, so dass der mit dem flüssigen Medium gefüllte Druckkanal von der Membran des Druckmittlers bis zur Druckmesszelle des Drucksensors ununterbrochen ist. Vorteilhafterweise haben die beide Druckkanäle, d.h. der des Drucksensors und der der Druckmittlereinheit, sowie die Durchgangsbohrung des Dichtröhrchens eine gemeinsame Längsachse.
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Entscheidend ist nun, dass sowohl die beiden Stirnflächen des Dichtröhrchens als auch die jeweils gegenüberliegenden Flächen des Drucksensors bzw. des Druckmittlers eine Schräge aufweisen und dass die beiden Paare von Dicht- bzw. Berührungsflächen jeweils in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind und aufeinander anliegen, so dass sie sich in einem quasi linienförmigen Bereich berühren und sich der jeweilige Abstand zwischen beiden Flächen nach außen verlaufend vergrößert. Es ergibt sich damit eine metallische Dichtung, die sich ausgehend von den sich berührenden Flächen auf eine Dichtkante reduziert.
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Bevorzugt ist dabei der Durchmesser dieser Durchgangsbohrung kleiner oder größer als der des Druckkanals ausgeführt, so dass sich das Ausbilden einer Dichtkante erleichtert. Bei einem kleineren Durchmesser der Durchgangsbohrung ergibt sich des Weiteren der Vorteil, dass aufgrund der dadurch verringerten Querschnittsfläche der einwirkende Druck eine geringere Kraft insbesondere auf die Dichtkante ausübt.
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Auf diese Weise wird, nachdem der Drucksensor auf dem Druckmittler aufgesetzt und mit ihm verbunden wurde, bevorzugt über eine Verschraubung und einer zusätzlichen Verschweißung im Außenbereich des Druckmessgeräts, eine maximale Verpressung in einem begrenzten, sehr schmalen Bereich realisiert. Durch die hohe Verpressung wird das Vollmaterial des Drucksensors bzw. des Druckmittlers an den entsprechenden Stellen in den elastischen Bereich hin belastet, so dass es zu einer sehr innigen und dichten Verbindung auf kleinstem Durchmesser kommt. Die dafür notwenigen Kräfte sind daher vergleichsweise gering. Darüber hinaus können auf diese Weise temperaturbedingte Längenänderungen kompensiert werden.
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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:
- 1 das erfindungsgemäße zweiteilige Druckmessgerät,
- 2 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen zweiteiligen Druckmessgeräts,
- 3a einen ersten vergrößerten Ausschnitt aus 2,
- 3b einen zweiten vergrößerten Ausschnitt aus 2 und
- 3c einen dritten vergrößerten Ausschnitt aus 2.
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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 erfindungsgemäßes zweiteiliges Druckmessgerät 1 dargestellt, bestehend aus einem Drucksensor 10 und einem Druckmittler 20. Der Drucksensor 10 umfasst einen Prozessanschluss 2, auf dem ein Gehäuse 3 aufgesetzt ist. Auf dem Gehäuse 3 befindet sich eine Anzeige- und Bedieneinheit 4, 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 stattdessen über eine übergeordnete Steuereinheit bedient und parametriert werden. Seitlich am Gehäuse 3 ist ein Steckeranschluss 5 angeordnet, über den der Drucksensor 10 mit Energie versorgt wird und als elektronische Schnittstelle fungierend die erzeugten Messsignale zur weiteren Verarbeitung in einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. in einer SPS, abgegriffen werden können. Der Drucksensor 10 entspricht damit dem typischen Aufbau eines Drucksensors bzw. Druckmessumformers der Prozessmesstechnik, wie sie die Anmelderin bspw. unter der Bezeichnung PNxxxx vertreibt.
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Der Drucksensor 10 ist über den Prozessanschluss 20 nicht wie sonst üblich mit einem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter, d.h. einer Rohrleitung, einem Tank oder dergleichen, verbunden, sondern mit dem Druckmittler 20. Der Druckmittler 20 seinerseits ist dann mit dem das zu messende Medium beinhaltenden Behälter frontbündig verbunden. Frontbündigkeit ist insbesondere bei Anwendungen unter Hygienebedingungen, bspw. in der Lebensmittelindustrie, wichtig, um eine Totraumfreiheit und eine damit einhergehenden Reinigbarkeit zu erreichen.
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2 zeigt einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen zweiteiligen Druckmessgeräts 1. Zu erkennen ist, wie das Gehäuse 3 auf dem Prozessanschluss 2 aufgesetzt ist. Längs durch den Prozessanschluss 2 führt ein Druckkanal 13. Am oberen Ende des Druckkanals 13 befindet sich eine Druckmesszelle 11, welche vorliegend als Dünnfilmmesszelle ausgeführt ist. D.h. ein über den Druckkanal 13 einwirkender Druck führt zu einer Durchbiegung der Membran 12 der Messzelle 11. Die Auslenkung der Membran 12 wird erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Neben Dünnfilmmesszellen gibt es auch Dickschichtmesszellen, sowie piezoresistive und kapazitive Druckmesszellen, die von der Erfindung mit umfasst sein sollen.
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Über eine Schraubverbindung 6 ist der Drucksensor 10 mit dem Druckmittler 20 verbunden, wobei grundsätzlich auch andere Verbindungsmöglichkeiten infrage kommen können, wie bspw. Clamp-Verbindungen. Längs durch den Druckmittler 20 führt ebenfalls ein Druckkanal 23, dessen Längsachse identisch ist mit der des Druckkanals 13 vom Drucksensor 10. Vorteilhafterweise sind auch die Durchmesser beider Druckkanäle 13, 23 gleich. Dieser durchgehende Druckkanal 13, 23 ist mit einem flüssigen Medium gefüllt. Am unteren Ende des Druckmittlers, dem Prozessdruck zugewandt, befindet sich eine weitere Membran 22. Der Prozessdruck löst somit zunächst eine Auslenkung der zweiten Membran 22 aus, welche aber über das flüssige Medium im Druckkanal 13, 23 an die Druckmesszelle 11 weitergeleitet wird und dort an deren Membran 12 ebenfalls zu einer Auslenkung führt.
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Um eine dauerhaft dichte und auch pulsierenden Drücken im Bereich von bis zu 1500 bar standhaltende Verbindung zwischen dem Drucksensor 10 und dem Druckmittler herzustellen, befindet sich am unteren Ende des Prozessanschlusses 2, d.h. an dem Ende, das dem Druckmittler zugewandt ist, ein Bereich 13a, in dem der Druckkanal 13 eine erweiterten Durchmesser aufweist. In diesen Bereich 13a ist ein Dichtröhrchen 30 eingeführt, das eine Durchgangsbohrung 31 aufweist und damit ein durchgehender Kanal von der zweiten Membran 22 des Druckmittlers 20 bis zur Druckmesszelle 11 bzw. deren Membran 12 gebildet wird.
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Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 31 ist vorliegend gegenüber dem des restlichen Druckkanals 13, 23 kleiner ausgeführt. Infolge dessen bilden sich an den Berührungsflächen zwischen den Stirnflächen 32a, 32b des Dichtröhrchen 30 und dem Drucksensor 10 bzw. dem Druckmittler 20 definierte Dichtfläche aus. Diese beiden Bereiche sind in 2 mit den Buchstaben B und C gekennzeichnet und in den 3a und 3b vergrößert dargestellt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 31 kann gegenüber dem des restlichen Druckkanals 13, 23 auch größer oder identisch ausgeführt. Insgesamt hat sich jedoch die dargestellte Ausführungsform mit einem kleineren Durchmesser als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Das Entscheidende ist nun, dass sowohl die beiden Stirnflächen 32a, 32b des Dichtröhrchens 30 als auch die jeweils gegenüberliegenden Flächen des Drucksensors 10 bzw. des Druckmittlers 20 eine Schräge aufweisen. Die Form des Dichtröhrchens 30 ist sozusagen an den beiden Enden verjüngend ausgebildet. Die entsprechenden komplementären Flächen des Drucksensors 10 und des Druckmittlers 20 weisen zwar auch eine Schräge auf, jedoch verlaufen diese Abschrägungen in einem anderen Winkel als die die Abschrägungen an den Enden des Dichtröhrchens 30. Infolge dessen sind die beiden Paare von Dicht- bzw. Berührungsflächen jeweils in einem spitzen Winkel α zueinander angeordnet, wobei sich der Abstand jeweils zwischen beiden Flächen nach außen verlaufend vergrößert. Dieser Winkel α ist aus Darstellungsgründen nur einmal in 3a angegeben und entsprechend auch auf 3b und 3c zu übertragen. Bevorzugt liegt der Winkel α zwischen 0,5° - 10°, besonders bevorzugt zwischen 3° und 7° und ganz besonders bevorzugt bei 5°. Im Ergebnis berühren sich, wie aus den 3a und 3b gut zu erkennen ist, jeweils die beiden Dichtflächen an den Kanten zu den Druckkanälen 13, 23 in einem quasi linienförmigen Bereich. Auf diese Weise wird nach dem Verschrauben des Drucksensors 10 mit dem Druckmittler 20 unter Beachtung eines definierten Drehmoments eine maximale Verpressung in einem begrenzten, sehr schmalen Bereich in den elastischen Bereich des Vollmaterials von Drucksensor 10 bzw. Druckmittler 20 hin realisiert, in dem sich der Auflagedruck zwischen den beiden Paaren von Dicht- bzw. Berührungsflächen konzentriert und damit eine dauerhaft dichte und auch einem pulsierenden hohen Druck standhaltende Verbindung erreicht wird. Darüber hinaus können durch die Elastizitätsreserven temperaturbedingte Längenänderungen kompensiert werden.
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Die Erfindung lässt sich auch auf eine seitlich in den Druckmittler 20 eingeführte Schraube 24 übertragen. Diese Schraube 24 ist dafür vorgesehen, eine Öffnung, durch die der Druckkanal 23 mit der Druckmittlerflüssigkeit befüllt wird, dauerhaft dicht verschlossen werden kann. In 3c ist dieser in 2 mit D bezeichnete Bereich vergrößert dargestellt. Dieser Bereich zeigt, wie die Schraube in den Druckmittler 20 eingeschraubt ist und die Öffnung damit verschließt. Auch an dieser Stelle liegen die zuvor genannten z.T. extremen Druckbedingungen vor, so dass sich an der Spitze der Schraube 24 letztlich die gleiche Situation wie am Dichtröhrchen 30 einstellt. Das dauerhafte und den Druckbedingungen standhaltende Abdichten kann hier auf gleiche Weise wie das dichte Einsetzen des Dichtröhrchens 30 in den Druckkanal 13, 23 gelöst werden, nämlich indem die elastisch bis zur Verformungsgrenze belastete Dichtkante durch die Schraubverbindung des Gewindes dauerhaft dicht gehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessgerät
- 2
- Prozessanschluss
- 3
- Gehäuse
- 4
- Anzeige- und Bedieneinheit
- 5
- Steckeranschluss
- 6
- Gewindeverbindung
- 10
- Drucksensor
- 11
- Druckmesszelle
- 12
- Membran der Druckmesszelle
- 13
- Druckkanal
- 13a
- erweiterter Bereich des Druckkanals
- 20
- Druckmittler
- 22
- Membran
- 23
- Druckkanal
- 24
- Schraube
- 30
- Dichtröhrchen
- 31
- Durchgangsbohrung
- 32a
- erste Stirnfläche
- 32b
- zweite Stirnfläche
