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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 Fluorpolymer einzusetzen, die jedoch elastisch vorzuspannen ist, da die Flachdichtung selbst nicht ausreichend elastisch ist.
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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 Fluorpolymer aufweist. Der keramische Werkstoff des Dichtrings weist den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die der Werkstoff der Messmembran auf.
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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 Fluorpolymer 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
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.
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Problematisch an den beschriebenen Lösungen ist jedoch, dass die beschriebenen Flachdichtungen beispielsweise über eine Folge von Temperaturwechseln durch Kaltfließen ihre Eigenschaften verändern können. Dies kann zu veränderten Einspannkräften auf die Druckmesszelle und damit zu Messfehlern führen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst:
- eine keramische Druckmesszelle mit einer frontseitigen Messmembran und einem rückseitigen Gegenkörper;
- ein Gehäuse, das in seinem Innern eine Messzellenkammer mit einer frontseitigen Kammeröffnung aufweist, die von einer axialen Anschlagfläche umgeben ist, wobei die Druckmesszelle in der Messzellenkammer angeordnet ist, die Messmembran der Kammeröffnung zugewandt und durch diese mit einem Druck beaufschlagbar ist;
- einen Dichtring; und
- eine Einspannanordnung,
- wobei die Einspannanordnung zwischen dem Gehäuse und einer rückseitigen Oberfläche des Gegenkörpers wirkt, um die Druckmesszelle und den Dichtring zwischen der Einspannanordnung und der axialen Anschlagfläche axial einzuspannen, wobei der Dichtring zwischen der Messmembran und der axialen Anschlagfläche angeordnet ist, um die die Messzellenkammer gegen die Kammeröffnung abzudichten,
- wobei der Dichtring ein Kompositmaterial aufweist, welches ein Polymer mit einem faserförmigen oder granulären anorganischen Füllstoff umfasst.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Polymer ein Fluorpolymer, insbesondere PFA und/oder PTFE.
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In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Füllstoff ein keramisches Material, insbesondere Al2O3, Graphit oder Kohlenstoff.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Kompositmaterial einen Volumenausdehnungskoeffizienten auf, der nicht mehr als zwei Drittel insbesondere nicht mehr als die Hälfte des Volumenausdehnungskoeffizienten des Polymers beträgt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der granulare Füllstoff eine mittlere Korngröße von nicht mehr 0,2 µm insbesondere nicht mehr als 0,1 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der faserförmige Füllstoff einen Durchmesser Korngröße von nicht mehr 0,2 µm insbesondere nicht mehr als 0,1 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der granulare Füllstoff eine maximale Korngröße von nicht mehr 0,4 µm insbesondere nicht mehr als 0,2 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der faserförmige Füllstoff einen maximalen Durchmesser von nicht mehr 0,4 µm insbesondere nicht mehr als 0,2 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Füllstoff einen Anteil von nicht weniger als 50 Vol-%, insbesondere nicht weniger als 60 Vol-% und weiterhin nicht weniger als 65 Vol-% des Kompositmaterials auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Dichtring eine Materialstärke in axialer Richtung von nicht weniger als 50 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist Dichtring im thermischen Gleichgewicht zwischen 20 °C und 100 °C bei Atmosphärendruck an der Messmembran Flächenpressungswerte auf, die um nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 30% des Mittelwerts der Flächenpressungswerte von diesem Mittelwert abweichen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messmembran eine ringförmige im Wesentlichen planare erste Dichtfläche auf, wobei das Gehäuse einen metallischen Gehäusekörper aufweist, der die Messzellenkammer enthält; und einen Prozessanschlusskörper, der den Gehäusekörper trägt, wobei der Prozessanschlusskörper eine durchgehende Anschlussöffnung und eine im Wesentlichen planare ringförmige zweite Dichtfläche aufweist, welche die Anschlussöffnung umgibt, der ersten Dichtfläche zugewandt ist, und die axiale Anschlagfläche bildet,
wobei die Einspannanordnung als elastischen Einspannvorrichtung ausgebildet ist, welche rückseitig auf den Gegenkörper wirkt, um die Druckmesszelle mit der ersten Dichtfläche gegen die zweite Dichtfläche axial einzuspannen, wobei zwischen der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche der Dichtring eingespannt ist.
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 aufweist, 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 weist das Gehäuse im Bereich der axialen Anschlagfläche Titan oder eine Titanlegierung auf
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Prozessanschlusskörper Titan oder eine Titanlegierung auf.
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Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: Einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
- 1b: Ein Detail B des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors aus 1a; und
- 2: Einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung eines Prozessanschlusskörpers in Form eines Prozessanschlussflansches.
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Der in 1a 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 kann Titan oder eine Titanlegierung aufweisen, 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.
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Wie in 1b dargestellt, ist an der zweiten Dichtfläche 46 erfindungsgemäß ein Dichtring 7 angeordnet, der einen Kompositwerkstoff mit einem ggf. gefüllten thermoplastischen Material, insbesondere PTFE und/oder PFA umfasst. Der Dichtring 7 kann als Folie oder als Beschichtung der zweiten Dichtfläche 46 präpariert sein. Die Schichtstärke des thermoplastischen Materials beträgt im eingespannten Zustand etwa 80 µm.
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Die Gleitkörper 38 weisen erfindungsgemäß ein Kompositmaterial auf, welches ein gefülltes thermoplastisches Material, hier PTFE oder PFA, sowie einen granulären oder faserförmigen Füllstoff umfasst. Einzelheiten zur Präparation und Eigenschaften von gefülltem PTFE“ sind beispielsweise in der Broschüre Werkzeuge und Halbzeuge aus PTFE von Elring-Klinger zusammengestellt.
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Der in die Polymermatrix eingebrachte Füllstoff dient einerseits dazu, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kompositmaterials gegenüber jenem des thermoplastischen Materials zu reduzieren und somit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Dichtflächen 46, 68 anzunähern. Damit werden Scherkräfte zwischen dem Dichtring 7 und den umgebenden Körpern 4, 64 minimiert, die aufgrund von Temperaturschwankungen auftreten und im Ergebnis zu Temperaturhysterese führen können. Weiterhin wird das Kaltfließen des Fluorpolymers verringert, womit der Dichtring 7 über längere Zeit mit hinreichend stabilen Eigenschaften eingesetzt werden kann. Der Füllstoff wird als nanoskaliges Pulver mit einer Korngröße von nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm, oder in Form von Fasern, beispielsweise Graphitfasern oder Keramikfasern mit einem Durchmesser von nicht mehr als 200 nm, insbesondere nicht mehr als 100 nm eingebracht.
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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 [0002]
- DE 10106129 A1 [0003]
- DE 102016204511 B3 [0003]
