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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drucksensoranordnung zum Bestimmen eines Drucks eines Mediums in einem hygienischen Prozess sowie ein Verfahren zur Montage einer solchen Drucksensoranordnung.
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Drucksensoranordnungen werden in der industriellen Messtechnik zur Aufnahme von Drücken eingesetzt. Hierzu müssen sie an einem Einsatzort montiert und dort mit dem von ihnen zu bestimmenden Druck beaufschlagt werden. Zur Montage der Drucksensoranordnung an dem gewünschten Einsatzort in einer Prozessanlage werden für gewöhnlich Prozessanschlüsse verwendet.
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Bei hygienischen Prozessen werden an die Prozessanschlüsse besonders hohe Anforderungen hinsichtlich derer Verarbeitung und/oder Sauberkeit gestellt. Beispiele für derartige hygienische Prozess sind Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, wo die Gefahr besteht, dass Ablagerungen und/oder Verunreinigungen die Haltbarkeit von Lebensmittel beeinträchtigenden und/oder zu gesundheitsschädlichen Kontaminationen führen können.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung eine Drucksensoranordnung vorzuschlagen, welche beim Einsatz in einem hygienischen Prozess ein möglichst geringes Verunreinigungs- bzw. Kontaminierungsrisiko aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Drucksensoranordnung gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Patentanspruch 8.
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Die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung zum Bestimmen eines Drucks eines Mediums in einem hygienischen Prozess umfasst:
- - ein Sensormodul mit einem Druckwandlerelement zur Ausgabe eines druckabhängigen Signals, und einem Sensorgehäuse in dem das Druckwandlerelement in einer Druckmesskammer angeordnet ist, wobei die Druckmesskammer mit einem Durchgang zu einer in einer Stirnfläche des Sensorgehäuses befindlichen Öffnung fluidisch verbunden ist,
- - ein Prozessanschlussmodul mit einer sich in eine Montagerichtung erstreckenden Ausnehmung zur Aufnahme des Sensormoduls, wobei das Sensormodul solchermaßen in der Ausnehmung fixiert ist, dass die Stirnfläche des Sensormoduls zumindest mit einem Randbereich einer Fläche um die Ausnehmung herum in einer Ebene liegen,
- - einer metallischen, vorzugsweise vorgeprägten Trennmembran, welche die Öffnung des Durchgangs abdichtet, und
- - einer Übertragungsflüssigkeit in dem Durchgang und der Druckmesskammer, um den an der Trennmembran anstehenden Druck des Mediums zum Druckwandlerelement zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmembran sich seitlich über einen Außenrand der Stirnfläche des Sensormoduls hinaus erstreckt und die Trennmembran mit nur einer einzigen mit dem Medium in Kontakt kommenden in sich geschlossenen umlaufenden Schweißnaht an dem Prozessanschlussmodul angeschweißt ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Drucksensoranordnung vorgeschlagen, die aus einem Sensor- und einem Prozessanschlussmodul gefertigt wird. Hierbei wird das Sensormodul bei der Fertigung passgenau in die Ausnehmung des Prozessanschlussmoduls eingeführt. Anschließend wird eine Trennmembran, welche vorzugsweise bereits vorgeprägt ist, und welche einen größeren Durchmesser aufweist als das Sensormodul über das eingebrachte Sensormodul gebracht und an dem Prozessanschlussmodul angeschweißt. Auf diese Weise können die mit dem zu messenden Medium in Berührung kommenden Nähte, insbesondere Schweißnähte, auf eine einzige Naht reduziert werden, sodass das Verunreinigungs- bzw. Kontaminierungsrisiko des Mediums reduziert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Außenkontur des Sensorgehäuses eine umlaufende Stufe aufweist und das Prozessanschlussmodul an einer Innenkontur der Ausnehmung eine entsprechende Stufe aufweist und die beiden Stufen derartig aufeinander abgestimmt sind, dass wenn das Sensorgehäuse mit der Stufe bündig auf der Stufe des Prozessanschlussmoduls aufsitzt, die Stirnfläche des Sensormoduls zumindest mit dem Randbereich der Fläche um die Ausnehmung herum in einer Ebene liegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, dass eine in sich geschlossene umlaufende erste Abdichtungsnahtzwischen dem Sensormodul und dem Prozessanschlussmodul im Bereich der Ausnehmung an der Stirnfläche des Sensormoduls vorgesehen ist, wobei die erste Abdichtungsnaht von dem Medium aus gesehen hinter dem seitlich über den Außenrand der Stirnfläche des Sensormoduls hinaus erstreckenden Teil der Trennmembran angeordnet ist, sodass die erste Abdichtungsnaht nicht in Kontakt mit dem Medium kommt. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die erste Abdichtungsnaht als Schweißnaht, insbesondere Laserschweißnaht, als Lotnaht oder als Klebenaht ausgeführt ist.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Sensormodul und das Prozessanschlussmodul durch eine, vorzugsweise im Bereich der Stufen, in sich geschlossene umlaufende zweite Abdichtungsnaht zueinander abgedichtet sind. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass die zweite Abdichtungsnaht als Widerstandsschweißnaht oder als eine Klebernaht, bevorzugt eine epoxidbasierte Klebernaht ausgeführt ist und/oder die Außenkontur des Sensorgehäuses ferner eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtungsmittels, vorzugsweise eines O-Rings, aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Montage einer Drucksensoranordnung umfassend die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Sensormoduls mit einem Druckwandlerelement zur Ausgabe eines druckabhängigen Signals, und einem Sensorgehäuse in dem das Druckwandlerelement in einer Druckmesskammer angeordnet ist, wobei die Druckmesskammer mit einem Durchgang zu einer in einer Stirnfläche des Sensorgehäuses befindlichen Öffnung fluidisch verbindbar ist;
- - Bereitstellen eines Prozessanschlussmoduls mit einer sich in eine Montagerichtung erstreckenden Ausnehmung zur Aufnahme des Sensormoduls;
- - Einsetzen des Sensormoduls entlang der Montagerichtung in die Ausnehmung des Prozessanschlussmoduls, sodass die Stirnfläche des Sensormoduls zumindest mit einem Randbereich einer Fläche um die Ausnehmung herum in einer Ebene liegt;
- - Aufbringen einer, vorzugsweise vorgeprägten, sich seitlich über einen Außenrand der Stirnfläche des Sensormoduls hinaus erstreckenden metallischen Trennmembran auf die Stirnfläche des Sensormoduls;
- - Befestigen der Trennmembran an dem Prozessanschlussmodul mit einer einzigen mit dem Medium in Kontakt kommenden in sich geschlossenen umlaufenden Schweißnaht.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vor dem Aufbringen der Trennmembran das Sensormodul und das Prozessanschlussmodul an der Stirnfläche durch eine in sich geschlossene umlaufende erste Abdichtungsnaht zueinander abgedichtet werden. Die Ausführungsform kann insbesondere vorsehen, dass die erste Abdichtungsnaht durch Schweißen insbesondere Laserschweißen, durch Löten oder durch Kleben erzeugt wird.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Sensormodul und das Prozessanschlussmoduls, vorzugsweise im Bereich der Stufen, durch eine in sich geschlossen umlaufend ausgeführte zweite Abdichtungsnaht zueinander abgedichtet werden. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass die zweite Abdichtungsnaht durch eine Widerstands-Schweißung oder eine Klebung erzeugt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass vor bzw. bei dem Einsetzen des Sensormoduls entlang der Montagerichtung in die Ausnehmung des Prozessanschlussmoduls ein Abdichtungsmittel, vorzugsweise ein O-Ring, in eine Nut eingebracht wird, die zuvor in einer Außenkontur des Sensorgehäuses ausgebildet wurde.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine noch nicht fertig montierte Drucksensoranordnung aufweisend ein Sensor- und eine Prozessanschlussmodul,
- 2: eine Detailansicht von der Stirnseite im Bereich des Übergangs von dem Sensor- und Prozessanschlussmodul zur Verdeutlichung der Position und Lage der stirnseitigen Abdichtungsnaht, und
- 3: eine weitere Detailansicht zur Verdeutlichung der Lage und Position der umlaufenden Schweißnaht, der stirnseitigen Abdichtungsnaht sowie der möglichen Abdichtungsnaht im Bereich der Stufe.
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1 zeigt ein noch nicht fertig montiertes metallisches Sensormodul 1 und ein metallisches Prozessanschlussmodul 3, welche im fertig montierten Zustand eine Drucksensoranordnung zum Bestimmen eines Druckes eines Mediums in einem hygienischen Prozess bilden. Das Sensormodul 1 umfasst ein in einer Druckmesskammer 5 eines Sensorgehäuses 19 angeordnetes Druckwandlerelement bzw. einen Drucksensor 7, der in einem fertigmontierten Zustand über einen nach außen durch eine auf einer Stirnseite des Sensormoduls 1 angeordnete Trennmembran 9 abgeschlossenen, mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllten Druckmittler mit einem auf eine Außenseite der Trennmembran 9 einwirkenden Druck p beaufschlagbar ist.
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Als Druckwandlerelement bzw. Drucksensor 7 eignet sich z.B. ein sogenannter Halbleiter-Drucksensor, z.B. ein auf Siliziumbasis hergestellten Drucksensor-Chip. Dieser kann beispielsweise eine unter Einschluss einer zweiten Druckmesskammer auf einem Grundkörper angeordnete Messmembran und einen elektromechanischen Wandler umfassen. Der Wandler wandelt eine vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran in eine elektrische Größe um, die dann mittels einer an den Wandler anschließbaren Sensorelektronik messtechnisch erfasst und in ein von dem messtechnisch zu erfassenden Druck abhängiges elektrisches Signal umgewandelt wird, das dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht. Beispiele hierfür sind kapazitive Wandler, die mindestens einen Kondensator mit einer von der Durchbiegung der Messmembran abhängigen Kapazität aufweisen, sowie Wandler, die auf oder in der Messmembran angeordnete Sensorelemente, z.B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente, umfassen. Eine weitere Alternative bilden piezoelektrische Wandler. Alternativ können aber auch andere als die zuvor als Beispiel genannten Wandler eingesetzt werden.
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Das Prozessanschlussmodul 3 umfasst eine parallel zu einer Längsachse des Prozessanschlussmoduls 3 durch das Prozessanschlussmodul 3 hindurch verlaufende Ausnehmung 11. Die Längsachse des Prozessanschlussmoduls stellt gleichzeitig auch eine Montagerichtung 14 zur Herstellung der Drucksensoranordnung dar. Ferner ist das Prozessanschlussmodul 3 im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse ausgebildet. Gleiches gilt für das Sensormodul 1, welches bezogen auf seine Außenkontur ebenfalls im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse ist.
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Im Hinblick auf die Fertigung der Drucksensoranordnung sind das Sensormodul 1 und das Prozessanschlussmodul 3 derartig ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass das Sensormodul ein radial nach außen erstreckenden Absatz 37 aufweist, welcher so dimensioniert ist, dass der Absatz 37 passgenau in eine Innenkontur der Ausnehmung 11 des Prozessanschlussmoduls 3 steckbar ist. Optional können sowohl die Außenkontur des Sensorgehäuses 19 als auch die Innenkontur der Ausnehmung 11 des Prozessanschlussmoduls 3 jeweils eine mit ihren Grundflächen aufeinander angepasste Stufe 41, 42 aufweisen, sodass das Sensormodul 1 bei der Fertigung in Montagerichtung 14 ineinander einführen lassen. Die Stufen 41, 42 sind ferner derartig aufeinander angepasst, dass das Sensormodul 1 mit der Stufe 41 auf der entsprechenden Stufe 42 des Prozessanschlussmoduls 3 aufsitzt und durch diese gestützt wird. Ferner wird durch die Stufen sichergestellt, dass das Sensormodul 1 an der Stirnseite bündig mit dem Prozessanschlussmodul 3 abschließt.
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Um auch den Einsatz in einer Prozessanlage bei Hochdruck ermöglichen zu können, kann optional eine umlaufende Nut 44 zur Aufnahme eines Dichtungsmittels, insbesondere eines O-Rings, in der Außenkontur des Sensorgehäuses vorgesehen sein. Die Anordnung der umlaufenden Nut 44 an dem Sensorgehäuse ist hierbei vorzugsweise derartig, dass die umlaufende Nut 44 näher zu der Stirnseite des Sensormoduls angeordnet ist als zu der Stufe. Durch die Nut 44 kann in Kombination mit dem Dichtungsmittel eine Leckage zwischen der Außenhülle des Sensormoduls und der Innenkontur der Ausnehmung des Prozessanschlussmoduls 3 im fertigmontierten Zustand verhindert werden. Ergänzend oder alternativ kann für den Hochdruckeinsatz eine Abdichtung über eine Abdichtungsnaht 18 im Bereich der beiden Stufen vorgesehen sein.
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Um eine erfindungsgemäße Drucksensoranordnung herzustellen sind folgende Schritt notwendig:
- - In einem ersten Schritt werden zunächst das Sensormodul 1 und das Prozessanschlussmodul 3 gemäß einer der zuvor beschriebenen Variante bereitgestellt.
- - In einem nächsten Schritt wird das Sensormodul 1 entlang der Montagerichtung 14 in die Ausnehmung 11 des Prozessanschlussmoduls 3 eingesetzt, sodass vorzugsweise die beiden Stufen aufeinandersitzen und die Stirnfläche im Wesentlichen bündig mit dem Randbereich der Fläche um die Ausnehmung herum abschließt.
- - Nach dem Einbringen des Sensormoduls 1 in die Ausnehmung 11 kann optional vorgesehen sein, dass im Bereich der Stufe eine Abdichtung zwischen dem Sensormodul 1 und dem Prozessanschlussmodul 3 durch eine Abdichtungsnaht 18 erzeugt wird. Die Abdichtungsnaht 18 wird vorzugsweise mittels eines Widerstandsschweißverfahrens als Widerstandschweißnaht ausgeführt. Alternativ kann die Abdichtungsnaht auch mittels eines Klebeverfahrens als Klebernaht ausgeführt werden. Es versteht sich von selbst, dass die Abdichtungsnaht 18 im Bereich der Stufen 41, 42 umlaufend um die Achse des Sensor- bzw. des Prozessanschlussmoduls ausgeführt ist, sodass die fertigmontierte Drucksensoranordnung auch im Hochdruckbereich eingesetzt werden kann, ohne dass es zur Leckage zwischen dem Sensormodul und dem Prozessanschlussmodul kommt. Ergänzend oder alternativ zu der Abdichtungsnaht 18 im Bereich der Stufe kann ferner ein umlaufendes Dichtungsmittel 16 in die Nut 44 des Sensormoduls vor dem Einbringen des Sensormoduls in das Prozessanschlussmodul eingesetzt werden, sodass im fertigmontierten Zustand eine (zusätzliche) Dichtung durch das Dichtungsmittel gegeben ist. Als Dichtungsmittel kann beispielsweise ein O-Ring umfassen.
- - Alternativ zu der Abdichtungsnaht 18 im Bereich der Stufen 41, 42 kann nach dem Einbringen des Sensormoduls 1 in die Ausnehmung 11 eine an der Stirnfläche des Sensor- und Prozessanschlussmoduls angeordnete Abdichtungsnaht 6 erzeugt werden. Die Abdichtungsnaht 6 wird an der Stirnseite am Übergang von dem Sensormodul zu dem Prozessanschlussmodul umlaufend um die Achse des Sensor- bzw. Prozessanschlussmoduls und in sich geschlossen vorgesehen. Vorzugsweise wird die stirnseitige Abdichtungsnaht mittels eines Laserschweißverfahrens erzeugt. 2 zeigt eine Detailansicht der Stirnseite im Bereich des Übergangs 20 von dem Sensor- und Prozessanschlussmodul zur Verdeutlichung der Position der Abdichtungsnaht 6. Aus 2 wird ersichtlich, dass die Abdichtungsnaht 6 nach der Fertigstellung der Drucksensoranordnung hinter der Trennmembran angeordnet ist, sodass diese keinen Kontakt zu einem Medium hat. In 2 ist die Lage und Position der Abdichtungsnaht durch ein Dreieck gekennzeichnet.
- - In einem letzten Schritt wird eine metallische Trennmembran 9 bereitgestellt und an dem Prozessanschlussmodul 3 angeschweißt. Die Trennmembran 9 ist derartig ausgebildet, dass ein Randbereich der Trennmembran sich seitlich über einen Außenrand der Stirnfläche des Sensormoduls 1 hinaus erstreckt und somit in dem Fall, dass eine stirnseitige Abdichtungsnaht vorgesehen ist, diese überdeckt. Die Trennmembran 9 ist vorzugsweise mittels eines vorangestellten Prägeverfahrens vorgeprägt. Als bevorzugtes Prägeprofil hat sich insbesondere ein Wellenprofil herausgestellt. Die seitlich überstehende Trennmembran 9 wird über eine im überstehenden Bereich befindliche in sich geschlossene umlaufende Schweißnaht 4 an dem Prozessanschlussmodul 3 befestigt. Dadurch, dass die Trennmembran seitlich übersteht und ggfls. auch die stirnseitige vorhandene Abdichtungsnaht überdeckt, ist die Schweißnaht die einzige Naht, die in Kontakt mit einem Medium kommt, wenn das Prozessanschlussmodul 3 in eine Messtelle einer Prozessanlage eingebaut ist. 3 zeigt eine weitere Detailansicht zur Verdeutlichung der Lage und Position der umlaufenden Schweißnaht 4, der stirnseitigen Abdichtungsnaht 6 sowie der Abdichtungsnaht 18 im Bereich der Stufe. In 3 sind die Lagen und Positionen der Nähte ebenfalls durch Dreiecke gekennzeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensormodul
- 2
- Übertragungsflüssigkeit
- 3
- Prozessanschlussmodul
- 4
- Schweißnaht
- 5
- Druckmesskammer
- 6
- Erste Abdichtungsnaht
- 7
- Druckwandlerelement
- 8
- Durchgang
- 9
- Trennmembran
- 10
- Öffnung
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Vorprägung Trennmembran / Wellenprofil
- 14
- Montagerichtung
- 16
- Dichtungsmittel
- 18
- Zweite Abdichtungsnaht
- 19
- Sensorgehäuse
- 20
- Übergang Sensor- zu Prozessanschlussmodul
- 37
- Absatz
- 41
- Stufe
- 44
- Nut
