DE102017213894A1

DE102017213894A1 - Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und kapazitive Druckmesszelle

Info

Publication number: DE102017213894A1
Application number: DE102017213894.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Müller
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-14
Also published as: WO2019030121A1

Abstract

Es ist ein Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis beschrieben, mit einer kapazitiven Druckmesszelle (10) und einem metallischen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss (3), wobei die Druckmesszelle (10) eine auslenkbare keramische Messmembran (11), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode (14) aufweist, und einen der zweiten Seite der Messmembran (11) gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper (12) mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode (14) bildenden Gegenelektrode (15) umfasst, wobei die Messmembran (11) mittels einer ringförmigen Fügestelle (13) mit dem Grundkörper (3) unter Bildung einer Messkammer verbunden ist, und wobei die Druckmesszelle (10) im Innenbereich des Prozessanschlusses (3) fixiert ist und die Messmembran (11) und ein Innenwandabschnitt des Prozessanschlusses (3) einen ringförmigen, über einen Kanal (5) mit dem Behältnis verbundenen Druckmessraum (6) mittels eines Dichtelements (7) druckdicht abschließen, wofür an der Messmembran (2) und am Innenwandabschnitt zwei gegenüberliegende Dichtflächen (8a, 8b) vorgesehen sind. Erfindungsgemäß weist die auslenkbare Messmembran (11) an ihrer ersten Seite einen ringförmigen Ansatz (11a) auf, der eine stutzenartige, in den Innenraum ragende Verlängerung (5a) des Kanals (5) umgreift und die Dichtflächen (8a, 8b) sind parallel zur Symmetrieachse (S) des Prozessanschlusses (3) angeordnet.Des Weiteren wird eine entsprechend Druckmesszelle beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine kapazitive Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle angrenzenden Mediums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Kapazitive Druckmessgeräte bzw. Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf. Typische Messzellen bestehen aus einer kompakten Einheit mit einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran eine ringförmige Fügestelle, typischerweise ein Glaslotring, 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. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt.
Am Unterteil des Messgeräts befindet sich der sogenannte Prozessanschluss, durch den das Messgerät mit einem das Medium führenden Behälter oder Rohr verbunden ist. In der Regel dienen diese Druckmessgeräte zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
Neben kapazitiven gibt es auch resistive Druckmesszellen in Dünnfilm- oder Dickschichttechnik, die mittels Dehnungsmessstreifen die Auslenkung der Membran erfassen. Allerdings sind resistive Messzellen gegenüber kapazitiven weniger überlastfest, so dass bei Prozessen, bei denen mit kurzen, hohen Druckspitzen zu rechnen ist, zumeist die eingangs beschriebenen kapazitiven Messzellen eingesetzt werden.
Im Messbetrieb wird die kapazitive Druckmesszelle im Prozessanschluss gewöhnlich axial zwischen einem medienseitig angeordneten ringförmigen Dichtelement, das auf der membranseitigen Stirnfläche der Messzelle aufliegt und im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Glaslotring aufweist, und einem Stützelement - häufig in Form eines einschraubbaren Stützrings ausgeführt - eingespannt, wodurch die von der Membran abgewandte Stirnfläche des Grundkörpers axial abgestützt wird. Ein Beispiel eines solchen einschraubbaren Stützrings zeigt die deutschen Patentschrift DE 44 16 978 . Dabei ist es wichtig, dass das Dichtelement, der Glaslotring sowie die Auflagefläche des Stützrings in einer Flucht liegen, wie es bspw. aus 1 der deutschen Patentschrift DE 196 28 551 zu entnehmen ist. So ist sichergestellt, dass einerseits eine optimale axiale Fixierung der Druckmesszelle gewährleistet ist, während die Messmembran uneingeschränkt auslenkbar ist.
Häufig werden jedoch besondere Anforderungen an eine sehr kleine und kompakte Bauform des gesamten Messgeräts gestellt, um es bspw. an schwer zugänglichen Stellen montieren zu können. Ein einschraubbarer Stützring erfordert jedoch für das Vorsehen eines Gewindes eine gewisse Mindestwandstärke des Prozessanschlusses. Außerdem verlängert sich entsprechend dem Gewinde die axiale Erstreckung des Prozessanschlusses. Beides steht einer kleinen und kompakten Bauform entgegen. Als Alternativen bieten sich scheiben- oder U-förmige Stützelemente an, wie sie bspw. aus der DE 10 2013 213 857 A1 bekannt sind. Diese Stützelemente werden nicht eingeschraubt, sondern mit dem Prozessanschluss verschweißt. Allerdings ist bei einer Schweißverbindung die gegenüber einer Schraubverbindung geringere Belastbarkeit zu beachten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein besonders überlastfestes Druckmessgerät der eingangs genannten Art klein und kompakt auszuführen.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Druckmesszelle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist es, eine Verkleinerung der Fläche, auf die der Mediumsdruck einwirkt, zu erreichen. Infolgedessen reduziert sich wegen F = p x A die sich daraus ergebende Kraft, die von der Schweißverbindung, mit der das scheiben- oder U-förmigen Stützelement wegen der kleinen und kompakten Bauform mit dem Prozessanschluss verbunden ist, aufgenommen werden muss. Im Ergebnis kann das kleine und kompakte Druckmessgerät mit einem Nenndruck von 100 bar auch kurzen hohen Druckspitzen im Bereich von 300 bar ausgesetzt werden, da die auf die Schweißverbindung einwirkende Kraft unterhalb ihrer Belastungsgrenze liegt.
Dafür weist erfindungsgemäß die auslenkbare Messmembran an ihrer dem zu messenden Medium zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz auf, der eine stutzenartige, in den Innenraum des Prozessanschlusses ragende Verlängerung des Kanals umgreift. Diese Verlängerung ist Teil des Druckkanals, über den das zu messende Medium an die Membran der Druckmesszelle gelangt. Während im Stand der Technik - wie bspw. in 1 der deutschen Patentschrift DE 196 28 551 gezeigt - Dichtelement und Glaslotring näherungsweise den gleichen Durchmesser aufweisen, so dass beiden in einer Flucht angeordnet sind, ist der Durchmesser des Dichtelements nunmehr kleiner als der des Glaslotrings und das Dichtelement ist zwischen der Verlängerung des Druckkanals und der Innenseite des ringförmigen Ansatzes eingespannt. Die Dichtflächen, d.h. die Berührungsflächen zwischen Dichtelement und Prozessanschluss bzw. Druckmesszelle sind dann nicht mehr axial angeordnet, sondern nunmehr radial.
Vorteilhaft ist es, im Übergangsbereich vom Ansatz zur Messmembran einen Bogenabschnitt, also keine scharfe Kante vorzusehen. Damit können die sich infolge der druckbedingten Auslenkung der Messmembran ergebenden Kerbwirkungen optimiert und damit auftretende Zugspannungen deutlich reduziert werden. Der Bogenabschnitt kann dabei sowohl mit einem konstanten als auch mit einem variablen Radius, z.B. elliptisch ausgeführt sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Außenseite der stutzenartige Verlängerung eine umlaufende Nut aufweist, die dafür vorgesehen ist, das Dichtelement, welches bevorzugt als O-Ring ausgeführt ist, zumindest teilweise aufzunehmen und damit eine der beiden Dichtflächen darstellt. Damit ist das Dichtelement axial fixiert und hat eine definierte Position.
Für den Einsatz in einem zuvor beschriebenen besonders überlastfesten Druckmessgerät wird gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung eine kapazitive Druckmesszelle vorgeschlagen, bei welcher die Messmembran in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche unterteilt ist. In diesen konzentrischen Bereichen weist die Membran eine derart unterschiedliche Dicke auf, dass sie nur im dünneren mittleren Bereich auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich hingegen nicht. Damit ist die Druckmesszelle dafür geeignet, mittels eines eingeschweißten scheiben- oder U-förmigen Stützelements axial fixiert zu werden und somit in einem kleinen und kompakten Messgerät auch bei kurzen hohen Druckspitzen einsetzbar zu sein.
Um eine optimale Stabilität der Druckmesszelle infolge der axialen Einspannung zu erreichen, entspricht dass Breite des dickeren äußeren Bereichs näherungsweise der Breite des Glaslotrings.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes besonders überlastfestes Druckmessgerät mit kleiner und kompakter Bauform,
2 ein Schnittbild durch den Prozessanschluss des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts sowie
3 gegenübergestellt eine Darstellung eines Prozessanschlusses mit Druckmesszelle aus dem Stand der Technik und der Erfindung.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät 1 dargestellt, welches im Wesentlichen aus einem metallischen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss 3 und einem darauf aufgesetzten Gehäuse 2 besteht. Der Prozessanschluss 3 beinhaltet eine kapazitive Druckmesszelle 10 als Messaufnehmer (nicht dargestellt). Das Gehäuse 2 umfasst eine Auswerteelektronik (nicht dargestellt), um das von der Druckmesszelle 10 generierte Messsignal auszuwerten und in einer im Gehäuse 2 integrierten Anzeigevorrichtung (sofern vorhanden) darzustellen und/oder einer nachgelagerten Steuerungseinheit verarbeiteten lassen zu können. Vorliegend ist ein sog. Kompaktgerät dargestellt, das durch eine sehr kleine und kompakte Bauweise gekennzeichnet ist und deswegen keine eigene Anzeigevorrichtung aufweist.
Darüber hinaus weist das Messgerät 1 an einem dem Prozessanschluss 3 entgegengesetzten Ende einen Steckeranschluss 4 auf. Über diesen Steckeranschluss 4 ist das Messgerät 1 mit einer Stromversorgung und/oder mit einer Datenverarbeitungseinheit bzw. Steuereinheit verbunden, die die Messsignale empfängt und auswertet.
In 2 ist ein Schnittbild durch den Prozessanschluss 3 des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 1 dargestellt. Im Mittelpunkt steht hier die kapazitive Druckmesszelle 10, die aus einer keramischen Messmembran 11, deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode 14 aufweist, und einem der zweiten Seite der Messmembran 11 gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper 12 mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode 14 bildenden Gegenelektrode 15 gebildet wird. Die Messmembran 11 ist mittels einer ringförmigen Fügestelle 13 in Form eines Glaslots mit dem Grundkörper 3 verbunden und bildet damit eine für die Auslenkung der Messmembran 11 notwendige Messkammer.
Die Druckmesszelle 10 ist unmittelbar über dem Druckkanal 5 angeordnet, über den das zu messende Medium an die Messmembran 11 gelangt. Der Druckkanal 5 weist dabei eine in Richtung der Messzelle 10 angeordnete stutzenartige, in den Innenraum des Prozessanschlusses 3 ragende Verlängerung 5a auf.
Das Besondere an der kapazitiven Druckmesszelle 10 ist, dass die Messmembran 11 in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche 11a, 11b unterteilt ist, in denen sie eine unterschiedliche Dicke aufweist. Dadurch ist die Messmembran 11 nur im dünneren mittleren Bereich 11b auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich 11a hingegen nicht. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Dicken der Messmembran 11 kann der dickere äußere Bereich 11a auch als ringförmiger Ansatz angesehen werden. Der dickere äußere Bereich 11a hat näherungsweise den gleichen Durchmesser wie der Glaslotring 13.
Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Messmembran 11 umgreift sie die stutzenartige Verlängerung 5a des Druckkanals 5 und bildet damit einen Druckmessraum 6, der durch ein Dichtelement 7, vorzugsweise als O-Ring ausgeführt, abgedichtet ist. Der Durchmesser des Dichtelements 7 ist dabei kleiner als der des Glaslotrings 13, sodass die Dichtflächen 8a, 8b dieses Dichtelements 7 im Gegensatz zu herkömmlichen kapazitiven Druckmesszellen bzw. Druckmessgeräten nunmehr parallel zur Symmetrieachse S des Prozessanschlusses 3 angeordnet sind. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht u.a. auch darin, dass sich ein selbstverstärkender Effekt ergibt. Denn wenn der Druckmessraum 6 mit einem Medium gefüllt ist, wird das Dichtelement 7 durch den einwirkenden Druck an die Dichtflächen 8a, 8b gedrückt, wodurch sich der Dichteffekt weiter verbessert.
Um dem Dichtelement 7 eine definierte Position zu geben und ein Verrutschen zu vermeiden, ist an der Außenseite der stutzenartige Verlängerung 5a eine umlaufende Nut vorgesehen. Diese Nut stellt damit gleichzeitig eine der beiden Dichtflächen 8b dar.
Auf dem Grundkörper 12 ist ein scheibenförmiges Abstützelement 16 angeordnet, das seitlich mit der Innenwand des Prozessanschlusses 3 verschweißt 16a ist. Dadurch ist die Druckmesszelle 10 innerhalb des Prozessanschlusses 3 axial fixiert. Durch die nun gegenüber herkömmlichen kapazitiven Druckmesszellen bzw. Druckmessgeräten kleinere Angriffsfläche des zu messenden Mediums auf die Messmembran 11 im Druckmessraum 6 wirkt auf die Schweißverbindung eine deutlich geringere Kraft ein, so dass deren Belastungsgrenze nicht überschritten wird.
Im Ergebnis ist es mit der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 10 nun möglich, ein Druckmessgerät mit 100 bar Nenndruck und einer Überlastfestigkeit im Bereich von 300 bar herzustellen, das eine ausgehend von den Maßen der Druckmesszelle 10 kleinstmögliche und sehr kompakte Bauform aufweist.
In 3 wird abschließend ein Prozessanschluss 3 mit Druckmesszelle 10 aus dem Stand der Technik (oben) und ein Prozessanschluss 3 mit Druckmesszelle 10 gemäß der Erfindung (unten) gegenübergestellt. Deutlich zu erkennen ist darin der nun erheblich reduzierte Wirk-Durchmesser der Dichtung 7.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Gehäuse
3: Prozessanschluss
4: Steckeranschluss
5: Kanal
5a: stutzenartige Verlängerung
6: Druckmessraum
7: Dichtelement
8a: Dichtfläche
8b: Dichtfläche
10: Druckmesszelle
11: Messmembran
11a: äußerer Bereich der Messmembran
11b: innerer Bereich der Messmembran
12: Grundkörper
13: Glaslotring
14: Messelektrode
15: Gegenelektrode
16: Abstützelement
16a: Schweißverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4416978 [0005]
DE 19628551 [0005, 0010]
DE 102013213857 A1 [0006]

Claims

Messgerät zur Messung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis, mit einer kapazitiven Druckmesszelle (10) und einem metallischen, rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss (3), wobei die Druckmesszelle (10) eine auslenkbare keramische Messmembran (11), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode (14) aufweist, und einen der zweiten Seite der Messmembran (11) gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper (12) mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode (14) bildenden Gegenelektrode (15) umfasst, wobei die Messmembran (11) mittels einer ringförmigen Fügestelle (13) mit dem Grundkörper (3) unter Bildung einer Messkammer verbunden ist, und wobei die Druckmesszelle (10) im Innenbereich des Prozessanschlusses (3) fixiert ist und die Messmembran (11) und ein Innenwandabschnitt des Prozessanschlusses (3) einen ringförmigen, über einen Kanal (5) mit dem Behältnis verbundenen Druckmessraum (6) mittels eines Dichtelements (7) druckdicht abschließen, wofür an der Messmembran (2) und am Innenwandabschnitt zwei gegenüberliegende Dichtflächen (8a, 8b) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auslenkbare Messmembran (11) an ihrer ersten Seite einen ringförmigen Ansatz (11a) aufweist, der eine stutzenartige, in den Innenraum ragende Verlängerung (5a) des Kanals (5) umgreift und dass die Dichtflächen (8a, 8b) parallel zur Symmetrieachse (S) des Prozessanschlusses (3) angeordnet sind.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich vom Ansatz (11a) zur Messmembran (11) ein Bogenabschnitt vorgesehen ist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (10) im Innenbereich des Prozessanschlusses (3) mittels eines auf der Außenseite des Grundkörper (12) aufliegenden scheiben- oder U-förmigen Stützelements (16) fixiert und damit axial eingespannt ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass scheiben- oder U-förmigen Stützelements (16) seitlich mit der Innenwand des Prozessanschlusses 3 verschweißt 16a ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der stutzenartige Verlängerung (5a) eine umlaufende Nut aufweist, die dafür vorgesehen ist, das Dichtelement (7) zumindest teilweise aufzunehmen und damit eine der beiden Dichtflächen (8b) darstellt.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Dichtelements (7) kleiner ist als der des Glaslotrings (13).
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (7) als O-Ring ausgeführt ist.
Kapazitive Druckmesszelle zur Erfassung des Druckes eines an die Druckmesszelle (10) angrenzenden Mediums, umfassend - eine auslenkbare keramische Messmembran (11), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren von dem Medium abgewandten zweiten Seite eine Messelektrode (14) aufweist, und - einen der zweiten Seite der Messmembran (11) gegenüberliegend angeordneten keramischen zylinderförmigen Grundkörper (12) mit wenigstens einer eine Messkapazität mit der Messelektrode (14) bildenden Gegenelektrode (15), wobei die Messmembran (11) mittels einer ringförmigen Fügestelle (13) mit dem Grundkörper (3) unter Bildung einer Messkammer verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (11) in zwei konzentrisch angeordnete Bereiche (11a, 11b) unterteilt ist, in denen sie eine unterschiedliche Dicke aufweist, derart, dass die Messmembran (11) nur im dünneren mittleren Bereich (11b) auslenkbar ist und im dickeren äußeren Bereich (11a) hingegen nicht.
Druckmesszelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich vom auslenkbaren mittleren Bereich (11b) der Messmembran (11) zum dickeren äußeren Bereich (11a) ein Bogenabschnitt vorgesehen ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des dickeren äußeren Bereichs (11a) näherungsweise der Breite des Glaslotrings (13) entspricht.