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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor mit keramischer Druckmesszelle und medienbeständiger Prozessdichtung. Keramische Druckmesszellen weisen eine keramische Messmembran auf, die mit einem Medium beaufschlagbar ist, dessen Druck von dem Drucksensor zu erfassen ist. Herkömmliche keramische Druckmesszellen weisen elastische Dichtringe auf, die zwischen der Messmembran und einer Dichtfläche eingespannt sind. Diese Konstruktion ist nicht für alle Medien geeignet, außerdem ist die Reinigbarkeit eines Spalts zwischen dem elastischen Dichtring und der Dichtfläche bzw. dem O-Ring und der Messmembran nur eingeschränkt gegeben. Es sind Ansätze bekannt, anstelle des elastischen Dichtrings eine Flachdichtung, insbesondere aus einem Fluoropolymer einzusetzen, die jedoch elastisch vorzuspannen ist, da die Flachdichtung selbst nicht ausreichend elastisch ist. In der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 111 910 A1 ist ein Drucksensor mit keramischer Druckmesszelle beschrieben, die mittels eines rückseitigen elastischen Elements gegen eine frontseitige axiale Anschlagfläche gespannt ist, wobei zwischen der Messmembran der Druckmesszelle und der Anschlagfläche ein keramischer Dichtring axial eingespannt ist, der an beiden Stirnfläche eine Flachdichtung aus einem Fluoropolymer aufweist. Der keramische Werkstoff des Dichtrings weist den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die der Werkstoff der Messmembran auf. D.h., der Dichtring an sich gibt keinen Anlass zu thermomechanischen Spannungen zwischen ihm und der Messmembran. Zudem ist der Dichtring zwischen der Anschlagfläche und der Messmembran hinsichtlich lateraler Bewegungen lediglich nur im Reibschluss gehalten, so dass er Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen der Messmembran und der üblicher Weise aus Stahl gefertigten Anschlagfläche ausgleichen kann. Diese Konstruktion funktioniert im Prinzip, aber sie ist sehr teuer. Außerdem können die Keramikringe bei leichten Unebenheiten in der Anschlagfläche bzw. der Messmembran zerbrechen und die Montage ist aufwändig.
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Ein anderer Ansatz ist in den Offenlegungsschriften
DE 101 06 129 A1 und
DE 10 2016 204 511 B3 beschrieben. Demnach ist der Körper welcher die Anschlagfläche trägt, gegen welche die Druckmesszelle gespannt ist elastisch gestaltet, um eine Flachdichtung, die eine Fluoropolymer aufweist, über einen größeren Temperaturbereich unter einer ausreichenden Flächenpressung zu halten. Nach der Offenlegungsschrift ist der die Anschlagfläche tragende Körper über einen VACON-Ring radial eingespannt, um die effektive Wärmeausdehnung des Körpers der Wärmeausdehnung der keramischen Messmembran anzupassen. Gemäß der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 204 511 B3 weist der die Anschlagfläche tragende elastische Körper Titan auf, welches einen dem keramischen Werkstoff der Messmembran ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Die beiden letztgenannten Konstruktionen sind jedoch insofern problematisch, als die elastischen Körper, welche die Anschlagflächen tragen, mit einem steiferen Bauteil verbunden sind, dessen Werkstoff einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Insofern wird das thermomechanische Verhalten des elastischen Körpers bei Temperaturwechseln und Temperaturgradienten, wie sie beispielsweise bei Reinigungs- und Sterilisationsprozessen (CIP, SIP) auftreten, durch die steiferen Bauteile aus anderen Werkstoffen beeinflusst, was zu thermomechanischen Radialspannungen und ggf. Hystereseerscheinungen führt. Zudem wirkt sich eine Druckbeaufschlagung auf den elastischen Körper gemäß
DE 10 2016 204 511 B3 in der Weise aus, dass eine radiale Auslenkung der Anschlagfläche erfolgt. Dies führt zu einer Druckhysterese.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst:
- eine keramische Druckmesszelle mit einem rückseitigen Gegenkörper und einer frontseitigen Messmembran, die eine erste, im Wesentlichen planare, ringförmigen Dichtfläche aufweist;
- einen metallischen Gehäusekörper, der in seinem Innern eine Messzellenkammer mit einer frontseitigen Kammeröffnung aufweist, wobei die Druckmesszelle in der Messzellenkammer angeordnet ist; und
- einen Prozessanschlusskörper, der den Gehäusekörper trägt, wobei der Prozessanschlusskörper eine durchgehende Anschlussöffnung und eine zweite, im Wesentlichen planare ringförmigen Dichtfläche aufweist, welche die Anschlussöffnung umgibt und der ersten Dichtfläche zugewandt ist,
- wobei die Druckmesszelle mittels einer elastischen Einspannvorrichtung, die rückseitig auf den Gegenkörper wirkt, mit der ersten Dichtfläche gegen die zweite Dichtfläche des Prozessanschlusskörpers axial eingespannt ist,
- wobei der Prozessanschlusskörper Titan oder eine Titanlegierung aufweist, wobei eine effektive axiale erste Federkonstante der Einspannvorrichtung kleiner ist als eine effektive axiale zweite Federkonstante des Gegenkörpers im Bereich der zweiten Dichtfläche, wobei die erste Federkonstante insbesondere nicht mehr als die Hälfte, beispielsweise nicht mehr als ein Viertel, insbesondere nicht mehr als ein Achtel der zweiten Federkonstanten beträgt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Prozessanschlusskörper in der Ebene der zweiten Dichtfläche einen Innenradius auf, wobei der Innenradius bei Raumtemperatur bei einem ersten Absolutdruck von 0,1 MPa einen ersten Wert r1 und bei einem Absolutdruck von 4 MPa einen zweiten Wert r2 aufweist, wobei die relative Abweichung des zweiten Werts vom ersten Wert 2|r2-r1|/(r1+r2) nicht mehr als 0,04%, insbesondere nicht mehr als 0,02% und bevorzugt nicht mehr als 0,01% beträgt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei zwei Temperaturen, die sich um 60 K unterscheiden, beispielsweise 20 °C und 80 °C im thermischen Gleichgewicht bei einem Absolutdruck von 0,1 MPa ein Unterschied der Tangentialspannung und/oder der Radialspannung an der zweiten Dichtfläche kleiner als ein Unterschied der Axialspannung an zweiten Dichtfläche.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfassend der Drucksensor weiterhin eine Dichtung die ein thermoplastisches Material, insbesondere PFA oder PTFE aufweist, wobei die Dichtung zwischen der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche axial eingespannt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Dichtung eine Beschichtung der zweiten Dichtfläche.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Dichtung im eingespannten Zustand eine Materialstärke von nicht weniger als 20 µm, vorzugsweise nicht weniger als 40 µm auf, wobei die Dichtung im eingespannten Zustand insbesondere eine Materialstärke von nicht mehr als 200 µm, vorzugsweise nicht mehr als 100 µm aufweist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Gehäusekörper einen Stahl, insbesondere Edelstahl oder Aluminium.
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In einer Weiterbildung der Erfindung, umfasst die Einspannvorrichtung einen elastischen, metallischen Spannkörper umfasst, der insbesondere an dem Gehäusekörper abgestützt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einspannvorrichtung einen ringförmigen, keramischen Entkopplungskörper, der zwischen dem Spannkörper und dem Gegenkörper angeordnet ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weiterhin umfassend die Einspannvorrichtung mindestens einen Gleitkörper, der an einer Stirnfläche des Entkopplungskörpers anliegt und axial eingespannt ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Einspannvorrichtung zwei Gleitkörper, die jeweils an einer Stirnfläche des Entkopplungskörpers anliegen und axial eingespannt sind.
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Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
- 2: Einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung eines Prozessanschlusskörpers in Form eines Prozessanschlussflansches.
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Der in 1 gezeigte Drucksensor 1 umfasst ein im Wesentlichen zylinderrohrförmiges Edelstahlgehäuse 2, welches in seinem Innern eine Messzellenkammer 22 aufweist, sowie eine Druckmesszelle 6 die einen Gegenkörper 62 und eine Messmembran 64 aus Korund umfasst, die mittels einer umlaufenden Fügestelle 66, die ein Aktivhartlot, aufweist an einer vorderen Stirnfläche des Gegenkörpers 62 befestigt ist. Eine dem Gegenkörper 62 abgewandte Stirnfläche der Messmembran 64 bildet im radialen Bereich der Fügestelle 66 eine erste Dichtfläche 68, deren Funktion weiter unten erläutert wird. Die Druckmesszelle ist in der Messzellenkammer 22 angeordnet und mit einer Einspannvorrichtung 3, welche auf eine rückseitige Stirnfläche des Gegenkörpers 62 wirkt, axial eingespannt. Die Einspannvorrichtung 3 umfasst einen metallischen Spannring 32, der auf seiner äußeren Mantelfläche ein Außengewinde aufweist, das in ein komplementäres Innengewinde 24 an der Wand der Messzellenkammer 22 eingreift. Weiterhin umfasst die Einspannvorrichtung einen axial elastischen Körper, der hier als Tellerfederstapel 34 ausgebildet ist und zusammen mit dem Spannring einen Spannkörper bildet. Die Einspannvorrichtung 3 kann optional weiterhin einen Entkopplungsring 36 aufweisen, der insbesondere hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Gegenkörper 62 der Druckmesszelle 6 angepasst ist und insbesondere den gleichen Werkstoff aufweist, Insofern als die Messmembran 64 und der Gegenkörper 62 insbesondere Korund aufweisen, umfasst der Entkopplungsring 36 in diesem Fall ebenfalls Korund. Der Entkopplungsring weist vorzugsweise den gleichen Außendurchmesser Φ1 wie der Gegenkörper 62 auf. Der Entkopplungsring 36 liegt an einer rückseitigen Stirnfläche des Gegenkörpers 62 an. An einer Stirnfläche oder an beiden Stirnflächen des Entkopplungsrings kann optional ein Gleitkörper eingespannt sein, um eine radiale Beweglichkeit zwischen dem Entkopplungsring einerseits sowie dem Gegenkörper 62 bzw. dem Spannring 32 andererseits zu erleichtern. Die Gleitkörper weisen ein ggf. gefülltes thermoplastisches Material wie PTFE auf. Die Materialstärke des Gleitkörpers bzw. der Gleitkörper in axialer Richtung beträgt im eingespannten Zustand nicht mehr als 200 µm und nicht weniger als 50 µm.
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Der Drucksensor 1 umfasst weiterhin einen Prozessanschlusskörper 4 der frontseitig mit dem Gehäuse 2 verbunden ist, zum Anschluss des Drucksensors 1 an eine Rohrleitung oder einen Behälter dient und das Gehäuse 2 trägt. Der Prozessanschlusskörper 4 weist Titan oder eine Titanlegierung auf, welche einerseits medienbeständig ist, und andererseits einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs der Messmembran 64, Korund, angepasst ist. Der Prozessanschlusskörper 4 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Achse die koaxial mit der Achse des Gehäuses 2 verläuft. Der Prozessanschlusskörper 4 umfasst eine Anschlussöffnung 42, die von einem ringförmigen Abschnitt umgeben ist, wobei letzterer bezüglich zylindrischen Wand der Messzellenkammer 22 eine sich radial einwärts erstreckende Schulter bildet, auf deren der Messzellenkammer 22 zugewandten Stirnfläche eine zweite Dichtfläche 46 ausgebildet, gegen welche die Druckmesszelle 6 mit der Einspannvorrichtung 3 axial eingespannt ist. Die Stirnfläche weist eine ringförmig umlaufende Nut 44 auf, welche der Messmembran 64 zugewandt ist, wobei radial einwärts von der Nut 44 gegenüber der Nut ein axialer Vorsprung hervorsteht, dessen ebene Stirnfläche die zweite Dichtfläche 46 bildet, die sich bis zum am Innenradius des Prozessanschlusskörpers 4 in der Ebene der zweiten Dichtfläche 46 erstreckt. Die radiale Breite der zweiten Dichtfläche 46 beträgt beispielsweise 0,4 mm bis 0,8 mm. Die zweite Dichtfläche ist mit einem ggf. gefüllten thermoplastischen Material, insbesondere PTFE beschichtet, welches in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die Schichtstärke des thermoplastischen Materials beträgt im eingespannten Zustand etwa 80 µm aufweist. Die Flächenpressung des thermoplastischen Materials zwischen der ersten und der zweiten Dichtfläche beträgt beispielsweise 120 MPa bis 170 MPa.
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Um die Einspannkraft zum Erzeugen der Flächenpressung bei Temperaturschwankungen weitgehend konstant zu halten, ist ein elastisches Element in der Einspannstrecke erforderlich. Hierzu ist der Tellerfederstapel 34 vorgesehen, dessen Federkonstante wesentlich kleiner ist als eine effektive axiale Federkonstante des Prozessanschlusskörpers 4 im Bereich der zweiten Dichtfläche 46. Die Nut 44 ist daher nur so breit und tief ausgeführt, dass der Vorsprung welcher die zweite Dichtfläche 46 trägt, sicher die einzige frontseitige Anschlagfläche für die Einspannung der Druckmesszelle 6 bildet. Von einer weiteren Schwächung des Prozessanschlusskörpers 4 im Bereich der zweiten Dichtfläche 46 wird vorzugsweise abgesehen. Im Idealfall beträgt die elastische Auslenkung der zweite Dichtfläche weniger als ein Zehntel der Auslenkung des Tellerfederstapels. Eine entsprechend steife Gestaltung des Prozessanschlusskörpers 4 bewirkt, dass auch Druckschwankungen allenfalls vernachlässigbare Verformungen des Prozessanschlusskörpers im Bereich der zweiten Dichtfläche bewirken. Somit kann beispielsweise eine Druckhysterese aufgrund von druckabhängigen radialen Verschiebungen der zweiten Dichtfläche erheblich reduziert bzw. vollständig unterdrückt werden.
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Das Gehäuse 2 kann mit dem Prozessanschlusskörper 4 auf unterschiedlichste Weise verbunden sein, beispielsweise durch Einschrauben, Verlöten, Verschweißen. Die Darstellung hierzu ist in 1 nur schematisch. Außerdem kann der Prozessanschlusskörper 4 im Verhältnis zum Gehäuse 2 noch wesentlich massiver gestaltet sein als in 1 dargestellt.
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Der in 2 dargestellte Längsschnitt durch ein Detail eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem flanschartig ausgebildeten Prozessanschlusskörper 104 mit einer Anschlussöffnung 142, und einer zweiten Dichtfläche 146, die wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch eine Nut 144 freigestellt ist. Ein Gehäuse 102 weist einen zylindrisches Gehäuserohr 120 auf welches in Spielpassung in eine Aufnahme 145 im Prozessanschlusskörper 104 eingesetzt ist. Von der Mantelfläche des Gehäuserohrs 120 erstreckt sich ein Montageflansch 126 radial auswärts. Durch Bohrungen 127 im Montageflansch 126 kann das Gehäuse 102 mittels Gewindebolzen, die in komplementäre Gewindebohrungen 149 im Prozessanschlusskörper 104 eingreifen, montiert werden. Im Sinne der Übersichtlichkeit ist eine Druckmesszelle, die wie beim ersten Ausführungsbeispiel gegen die zweite Dichtfläche 146 eingespannt ist, hier nicht dargestellt. Um die Größenverhältnisse von 1 und 2 zueinander in Beziehung zu setzen ist die Kontur des Prozessanschlusskörpers 4 aus 1 in 2 dargestellt. Der Prozessanschlusskörper 104 ist einstückig ausgebildet und ist wesentlich massiver gestaltet als das Gehäuserohr 120. Der Prozessanschlusskörper 104 weist Titan oder eine Titanlegierung auf, so dass die thermische Ausdehnung der zweiten Dichtfläche 146 an die von dem Werkstoff der Messzelle, Korund, angepasst ist. Der flanschartig ausgebildete Prozessanschlusskörper 104 kann mittels Gewindebolzen, die durch Bohrungen 149 verlaufen, an eine Rohrleitung oder einen Behälter angeschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013111910 A1 [0001]
- DE 10106129 A1 [0002]
- DE 102016204511 B3 [0002]
