DE102019130570A1

DE102019130570A1 - Modulare Baugruppe für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums

Info

Publication number: DE102019130570A1
Application number: DE102019130570.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krumbholz; Davide Parrotto; Igor Getman
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-20
Also published as: WO2021094231A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine modulare Baugruppe für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums (10) mit einem Prozessadaptergehäuse (7) und einem Kapillarbauteil (3), wobei das Kapillarbauteil (3) in dem Prozessadaptergehäuse (7) anordenbar ist,wobei die dem Prozessmedium (8) zugewandte Stirnfläche (14) des Prozessadaptergehäuses (7) als Membranbett (5) für eine Trennmembran (6) ausgestaltet ist, und wobei in dem Membranbett (5) im Wesentlichen mittig eine Ausnehmung (13) vorgesehen ist, wobei das Kapillarbauteil (3) eine im Wesentlichen mittig und in Längsrichtung des Kapillarbauteils (3) verlaufende Kapillare (4) einer definierten Länge aufweist, über die der zumessende Druck des Prozessmediums (8) auf ein drucksensitives Element (11) übertragbar ist,wobei der dem Prozessmedium (8) zugewandte Endbereich des Kapillarbauteils (3) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er die Ausnehmung (13) in dem Membranbett (5) ausfüllt und dass der Randbereich der Stirnfläche (14) des Kapillarbauteils (3) und der radial an die Ausnehmung (13) angrenzende Bereich des Membranbettes (5) im Wesentlichen in einer Ebene liegen, und wobei das Kapillarbauteil (3) und das angrenzendem Membranbett (5) des Prozessadaptergehäuses (7) über eine axiale Schweißnaht (15) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare Baugruppe für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums.
Druckmessgeräte dienen zur Messung des Drucks und/oder zur Steuerung, Regelung und/oder Automatisierung eines in der Anlage ablaufenden Prozesses. Druckmessgeräte werden in der Automatisierungstechnik in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Chemie und in der Lebensmittelindustrie, um nur einige wichtige Anwendungsgebiete zu nennen.
Ein Druckmessgerät weist üblicherweise eine Druckmesszelle und eine mit der Druckmesszelle verbundene Sensorelektronik auf. Die Druckmesszelle umfasst einen elektromechanischen Wandler, der die Reaktion eines druckempfindlichen Elementes in ein elektrisches Signal umwandelt, das über die Sensorelektronik aufgenommen und einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zugänglich ist.
Üblicherweise liegt der Druck nicht unmittelbar an dem druckempfindlichen Element an, sondern wird über einen Druckmittler, bestehend aus einer Trennmembran und einem Grundkörper, hydraulisch zur eigentlichen Druckmesszelle übertragen. Damit der Druck möglichst unverfälschte zum druckempfindlichen Element übertragen wird, ist zwischen der Trennmembran und dem Membranbett eine Druckkammer ausgebildet, die mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit, insbesondere einem Hydrauliköl, gefüllt ist. Über einen hydraulischen Pfad (eine Kapillare) wird der auf die Trennmembran wirkende Druck auf das drucksensitive Element übertragen. Das Membranbett dient zum Prägen der Trennmembran und zur Begrenzung des Verschiebens der Trennmembran im Überlastfall.
Eine Trennmembran muss zur Druckübertragung eine hinreichend geringe Eigensteifigkeit bei gleichzeitig hoher chemischer und mechanischer Resistenz gegenüber verschiedensten Prozessmedien aufweisen. Üblicherweise ist in die Trennmembran eine definierte Kontur eingeprägt. Damit eine Trennmembran bei unterschiedlichsten Applikationen einsetzbar ist, wird von einer Trennmembran ein möglichst großer Bereich rein elastischer, d.h. reversibler Verformung gefordert. Steifigkeit und elastische Verformbarkeit werden durch die Prägung der metallischen Trennmembran beeinflusst. Hergestellt wird die Kontur der Trennmembran über einen Prägeprozess, bei dem eine ebene, scheibenförmige Membran mit ausreichend hohem Druck in ein entsprechend geformtes Membranbett gepresst wird.
Eine typische Trennmembranprägung zeigt sinusförmige oder aus Kreisausschnitten gebildete konzentrisch um den Membranmittelpunkt angeordnete Wellenberge und Wellentäler. Durch diese Ausgestaltung der Trennmembran kann die Druckkammer ein variables Volumen der Übertragungsflüssigkeit bei einem hinreichend großen Membranhub aufzunehmen.
Ein Druckmessgerät ist entweder als Absolutdruckmessgerät oder als Relativdruckmessgerät ausgestaltet. Während bei einem Absolutdruckmessgerät ein zu messender Druck absolut, d. h. als Druckunterschied gegenüber dem Vakuum erfasst wird, erfasst ein Relativdrucksensor den Druck eines Prozessmediums relativ zu einem Referenzdruck. Üblicherweise handelt es sich bei dem Referenzdruck um den Atmosphärendruck, der am Installationsort des Druckmessgeräts herrscht. Während der Messdruck über die Trennmembran an der dem Prozess zugewandten Fläche des drucksensitiven Elements anliegt, wird die dem Prozess abgewandte Fläche des drucksensitiven Elements mit Vakuum oder dem Atmosphären-/Relativdruck beaufschlagt.
Bei den unterschiedlichen Anwendungen in der Automatisierungstechnik kommen Drucksensoren mit unterschiedlichen Messbereichen zum Einsatz. So bietet Endress+Hauser u.a. Drucksensoren an, die beispielsweise für die Messbereiche von 0...10bar, 0...400bar, 0-700bar oder 40-1 00bar ausgelegt sind. Obwohl diese Drucksensoren im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip arbeiten, zeigen sie eine große Varianz in den Einzelkomponenten und bei der Fertigung. In zunehmendem Maße wird übrigens der siliziumbasierten Druckmesstechnik der Vorzug gegeben, wobei der Druck piezoresistive, kapazitiv oder optoelektronisch bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe für ein Druckmessgerät vorzuschlagen, bei dem das drucksensitive Element vom Prozess weitgehend entkoppelt ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine modulare Baugruppe für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums mit einem Prozessadaptergehäuse und einem Kapillarbauteil, wobei das Kapillarbauteil in dem Prozessadaptergehäuse anordenbar bzw. angeordnet ist. Die dem Prozessmedium zugewandte Stirnfläche des Prozessadapters ist als Membranbett für eine Trennmembran ausgestaltet. In dem Membranbett befindet sich im Wesentlichen mittig eine Ausnehmung. Das Kapillarbauteil weist eine im Wesentlichen mittig und in axialer Richtung des Kapillarbauteils verlaufende Kapillare einer definierten Länge auf, über die der zumessende Druck des Prozessmediums auf ein drucksensitives Element übertragbar ist. Bei dem drucksensitiven Element handelt es sich z.B. um einen Silizium Chip.
Der dem Prozessmedium zugewandte Endbereich des Kapillarbauteils ist so ausgestaltet und angeordnet, dass er die Ausnehmung in dem Membranbett ausfüllt und dass der Randbereich der Stirnfläche des Kapillarbauteils und der radial an die Ausnehmung angrenzende Oberflächenbereich des Membranbettes im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Das Kapillarbauteil ist im Bereich seiner Stirnfläche mit dem angrenzendem Membranbett des Prozessadaptergehäuses über eine axiale Schweißnaht verbunden. Alternativ ist die Kapillare im Bereich ihrer Stirnfläche mit dem angrenzenden Membranbett des Prozessadaptergehäuses über eine axiale Schweißnaht verbunden. Für den Verbindungsprozess wird bevorzugt Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen eingesetzt. Über die gesamte Längenausdehnung des Kapillarbauteils ist der Durchmesser des Kapillarbauteils ansonsten bevorzugt kleiner als der Durchmesser des korrespondierenden Innenraums des Prozessadaptergehäuses.
Da das Kapillarbauteil und das Prozessadaptergehäuse nur über die axiale Schweißnaht zwischen dem Randbereich der Stirnfläche des Kapillarbauteils oder der Kapillare und dem radial an die Ausnehmung angrenzende Oberflächenbereich des Membranbettes miteinander verbunden sind, ist das oberhalb des Kapillarbauteils angeordnete drucksensitive Element thermisch weitgehend vom Prozess entkoppelt. Daher haben insbesondere Temperaturschocks, also kurzzeitig auftretenden Temperaturerhöhungen, die während der Fertigung oder im Betrieb des Druckmessgeräts auftreten, keine negativen Auswirkungen auf das Druckmessgerät. Ebenso beeinflussen hohe Prozesstemperaturen die Messeigenschaften des Druckmessgeräts nicht negativ.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe sieht vor, dass die definierte Länge der Kapillare und die Ausgestaltung des korrespondierenden Kapillarbauteils so bemessen sind, dass ein während der Fertigung des Drucksensors oder während des laufenden Betriebs des Drucksensors auftretender Temperaturschock oder eine erhöhte Temperatur des Prozessmediums für das drucksensitive Element unkritisch sind. Je nach Dimensionierung der Kapillare und/oder des Kapillarbauteils ist das erfindungsgemäße Druckmessgerät auch im Hochtemperaturbereich einsetzbar. Insbesondere ist die Tiefe der axialen Schweißnaht so bemessen, dass sie einem maximal auf das Membranbett einwirkenden Druck, von z.B. 700bar, standhält.
Die Kapillare erfüllt neben der thermischen Entkopplung noch eine weitere Funktion: ihre Dimensionen sind so bemessen, dass das Druckmessgerät im explosionsgefährdeten Bereich zum Einsatz kommen kann. Insbesondere ist die Kapillare so dimensioniert, dass das Druckmessgerät die Ex-d Anforderungen erfüllt: Bei einer Funkenbildung im Druckmessgerät, z.B. infolge eines Kurzschlusses, ist so sichergestellt, dass ein entstehender Funke innerhalb des Druckmessgeräts verpufft, bevor er in Kontakt mit dem Prozessmedium oder der Umgebungsatmosphäre gelangt.
Beispielhaft sind nachfolgend geeignete Dimensionen für das Kapillarbauteil bzw. die Kapillare genannt, wobei der Durchmesser auch abhängig ist von dem Durchmesser des Membranbettes. Die dem Prozess zugewandte Stirnfläche des Kapillarbauteils bzw. des Kapillarrohres hat einen Durchmesser in der Größenordnung von wenigen Millimetern. Bevorzugt liegt der Durchmesser der Stirnfläche zwischen 1-4mm, z.B. bei 3mm oder 1,4mm. Beispielsweise liegt der Durchmesser des Membranbettes dann bei 17mm.
Der Durchmesser der Kapillare liegt beispielsweise in der Größenordnung eines Bruchteils, z.B. eines Zehntels des Durchmessers der Stirnfläche. Beispielhaft hat die Kapillare einen Durchmesser von 0.4mm und eine Länge von 12mm. Der Durchmesser des Kapillarrohrs ist so bemessen sein, dass das Kapillarrohr direkt eingeschweißt werden kann. Generell lässt sich Folgendes sagen: Bei der Flächenaufteilung wird versucht, die Stirnfläche des Kapillarbauteils möglichst klein gegenüber der Fläche des Membranbettes zu halten.
Der maximal zulässige Messdruck hängt von der Einschweißtiefe ab: Je kleiner die Stirnfläche des Kapillarbauteils oder der Kapillare ist, desto geringer kann die Einschweißtiefe gewählt werden. Dies ist durchaus vorteilhaft, da bei geringerer Einschweißtiefe weniger Spritzerbildung auftritt, so dass sich eine hohe Schweißqualität einfacher realisieren lässt. Beträgt der Durchmesser der Stirnfläche des Kapillarbauteils 3mm, so liegt die geforderte Einschweißtiefe für einen Prozessdruck bis zu 700bar bei ca. 1mm, während für das direkt eingeschweißte Kapillarrohr, das z.B. in 7 einen Durchmesser von 1,4mm hat, eine Einschweißtiefe von ca. 0,3mm ausreichend ist. Bevorzugt beträgt die Einschweißtiefe ca. 0,5mm. Diese Einschweißtiefe ist insbesondere für die direkte Verschweißung des Kapillarrohres mit einem Durchmesser von ca. 1,4mm geeignet ist. Die Schweißnahtbreite liegt üblicherweise im Bereich von 0,3-0,4mm, z.B. bei 0.35mm.
Um sicherzustellen, dass im Bereich der Schweißnaht die einzige unmittelbare Verbindungsstelle zwischen dem Kapillarbauteil und dem Prozessadaptergehäuse ist, ist das Kapillarbauteil in einem mittleren Teilabschnitt derart verjüngt, dass ein Hohlraum zwischen der Außenfläche des Kapillarbauteils und der korrespondierenden Innenfläche des Prozessadaptergehäuse vorhanden ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass das Kapillarbauteil in einem vom Prozess abgewandten oberen Teilabschnitt einen maximalen Außendurchmesser aufweist, der geringer ist als der Innendurchmesser des Prozessadaptergehäuses, so dass auch hier ein Hohlraum zwischen der Außenfläche des Kapillarbauteils und der korrespondierenden Innenfläche des Prozessadaptergehäuses vorhanden ist. Die thermische Isolation erfolgt über den Lufteinschluss zwischen den beiden Komponenten: Kapillarbauteil und Prozessadaptergehäuse.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Bereich der Außenfläche des Kapillarbauteils und ein korrespondierender Bereich der Innenfläche des Prozessadaptergehäuses so ausgestaltet sind, dass das Kapillarbauteil axial in dem Prozessadaptergehäuse positionierbar ist. Insbesondere hat das Kapillarbauteil im unteren dem Prozess zugewandten Teilabschnitt eine Verdickung, die an einer ersten korrespondierenden axialen Anschlagfläche im Innenraum des Prozessadaptergehäuses anliegt. Alternativ zur Positionierung über Anschlagflächen, ist auch eine Positionierung während der Fertigung mittels einer entsprechenden Positioniervorrichtung vorgesehen, wobei die Positioniervorrichtung das Kapillarbauteil während des Schweißvorgangs in der korrekten Position relativ zum Prozessadaptergehäuse fixiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe hat das Kapillarbauteil im oberen vom Prozess abgewandten Teilabschnitt eine zweite Verdickung. Diese Verdickung hat bevorzugt denselben Durchmesser wie die Glasdurchführung, in der das drucksensitive Element angeordnet ist. Beide Teile sind radial miteinander verschweißt.
Neben der thermischen Entkopplung ist das Kapillarbauteil auch - abgesehen von der Schweißverbindung im Randbereich der Stirnfläche des Kapillarbauteils und dem radial an die Ausnehmung angrenzenden Oberflächenbereich des Membranbettes - weitgehend mechanisch von dem Prozessadaptergehäuse oder dem sich an das Prozessadaptergehäuse anschließenden Gehäuseadapter entkoppelt. Über zumindest eine federnd ausgestaltete Verbindung, z.B. zumindest einen O-Ring, sind/ist das Kapillarbauteil und/oder die mit dem Kapillarbauteil verbundene Druckmesszelle mit dem Prozessadaptergehäuse und/oder dem Gehäuseadapter verbunden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe sieht vor, dass das Kapillarbauteil und/oder das Prozessadaptergehäuse mit dem Membranbett als Drehteile/als Drehteil ausgestaltet sind/ist. Bevorzugt sind die Komponenten aus Edelstahl oder Hastelloy gefertigt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Kapillarbauteil aus zwei Komponenten besteht: einer Halterung und einem Kapillarrohr, wobei das Kapillarrohr in eine mittig angeordnete, rohrförmige Öffnung in der Halterung eingefügt und mit der Halterung verbunden ist.
Ein weiterer interessanter Aspekt der modularen Baugruppe betrifft die Ausgestaltung des Membranbettes. Außerhalb des ebenen Randbereiches hat das Membranbett eine im Wesentlichen konkave Kontur mit radial zueinander versetzten, ringförmigen Ein- und Ausprägungen. Im Wesentlichen zeigt ein Schnitt durch das Membranbett einen sinusförmigen Verlauf der Ein-und Ausprägung. Da die Trennmembran bei einem definierten Prägedruck gegen das Membranbett gedrückt wird, wird sie verformt und zeigt eine zu der Trennmembran korrespondierende Kontur.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass das Membranbett im Bereich der Schweißnaht, die zur Verbindung des Kapillarbauteils mit dem Prozessadaptergehäuse dient, eine vertiefte, ringförmige Einprägung aufweist. Die Tiefe der Einprägung ist so bemessen, dass bei dem definierten Prägedruck ein Kontakt zwischen einer durch den Schweißvorgang gebildeten Schweißnahtraupe und der Trennmembran ausgeschlossen ist. Durch diese Auslegung der Vertiefung im Zusammenspiel mit dem Prägedruck ist es möglich, dass die Trennmembran nicht in Kontakt mit der Schweißnahtraupe kommt. Somit kann eine Verletzung der Oberflächenkontur der Trennmembran infolge der unregelmäßige Schweißnahtraupe ausgeschlossen werden. Diese Unversehrtheit der Trennmembran ist wichtig, da die Kontur der Trennmembran so ausgelegt ist, dass alle spezifizierten Membraneigenschaften auch nach dem Prägeprozess unverändert vorhanden sind. Da ein Kontakt zwischen der Trennmembran und der Schweißnahtraupe ausgeschlossen ist, entfällt ein aufwändiges Nacharbeiten der Schweißnaht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe für einen Drucksensor in Explosionsdarstellung,
2: die in 1 dargestellte modulare Baugruppe im zusammengesetzten Zustand,
3a: eine Draufsicht auf die dem Prozessmedium zugewandte Stirnfläche eines Kapillarbauteils,
3b: ein Diagramm, das die Kontur eines in Verbindung mit der Erfindung nutzbaren Membranbettes und der zugehörigen Messmembran über den Durchmesser darstellt,
3c: einen Längsschnitt durch den unteren, dem Prozessmedium zugewandten Endbereich einer zusammengesetzten modularen Baugruppe,
4: einen Längsschnitt durch einen Drucksensor mit der in 2 dargestellten modularen Baugruppe,
5: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe für einen Drucksensor und
6: einen Längsschnitt durch einen Drucksensor mit der in 5 dargestellten modularen Baugruppe,
7: einen Längsschnitt durch eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe für einen Drucksensor, und
8: einen Längsschnitt durch den Teilbereich eines Drucksensors, der die in 7 gezeigten modularen Baugruppe umfasst.

1 zeigt in Explosionsdarstellung eine modulare Baugruppe 2 für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums 10. Die modulare Baugruppe 2 besteht aus einem Prozessadaptergehäuse 7 und einem Kapillarbauteil 3. Kapillarbauteil 3 und Prozessadaptergehäuse 7 sind so aufeinander abgestimmt, dass das Kapillarbauteil 3 in dem Prozessadaptergehäuse 7 anordenbar ist. Die dem Prozessmedium 10 zugewandte Stirnfläche 14 des Prozessadaptergehäuses 7 ist als Membranbett 5 für eine Trennmembran 6 ausgestaltet. Mittig ist in dem Membranbett 5 eine Ausnehmung 13 vorgesehen.
Das Kapillarbauteil 3 weist eine im Wesentlichen mittig und in Längsrichtung des Kapillarbauteils 3 verlaufende Kapillare 4 einer definierten Länge auf. Der dem Prozessmedium 10 zugewandte Endbereich des Kapillarbauteils 3 ist so ausgestaltet und angeordnet, dass er die Ausnehmung 13 in dem Membranbett 5 ausfüllt. Zumindest der Randbereich der Stirnfläche 14 des Kapillarbauteils 3 und der radial an die Ausnehmung 13 angrenzende Bereich des Membranbettes 5 liegen hierbei im Wesentlichen in einer Ebene. Das Kapillarbauteil 3 und das angrenzendem Membranbett 5 des Prozessadaptergehäuses 7 sind über eine axiale Schweißnaht 15 miteinander verbunden sind. Diese axiale Schweißnaht 15 - ggf. noch der Kontakt im Bereich von Verdickung 19a und Anschlagfläche 20 - ist die einzige Verbindungsstelle zwischen dem Prozessadaptergehäuse 7 und dem Kapillarbauteil 3. Über die gesamte Längenausdehnung des Kapillarbauteils 3 ist der Durchmesser des Kapillarbauteils 3 kleiner als der Durchmesser des korrespondierenden Innenraums des Prozessadaptergehäuses 7.
Die in den Hohlräumen zwischen der Innenfläche 17 des Prozessadaptergehäuses 7 und der Außenfläche 16 des Kapillarbauteils 18 befindliche Luft dient der Wärmeisolierung. Die Länge und die Breite des Kapillarbauteils 3 bzw. der Kapillare 4 sind darüber hinaus so bemessen, dass das temperaturempfindliche, drucksensitive Element 11 von Temperatureinflüssen im Prozess oder während des Fertigungsprozesses ausreichend thermisch isoliert ist. Die z.B. mit Luft gefüllten Hohlräume 18 sind aus der 2 ersichtlich, die die aus der 1 bekannte Ausgestaltung der modularen Baugruppe 2 nach Einfügen in den Innenraum des Prozessadaptergehäuses 7 zeigt.
Zwischen der in 1 nicht gesonderten dargestellten Trennmembran 6 und dem Membranbett 5 befindet sich eine mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit 39 gefüllte Druckkammer 40. Die Übertragungsflüssigkeit 39 wird mittels des Füllröhrchens 32 eingefüllt. Über die in der Druckkammer 40 und der Kapillare 4 befindliche Übertragungsflüssigkeit 39 wird der an der Trennmembran 6 anliegende Druck des Prozessmediums 10 zur Unterseite, also der dem Prozessmedium zugewandten Oberfläche, des drucksensitiven Elements 11 übertragen. Um die benötigte Menge der Übertragungsflüssigkeit möglichst gering zu halten, ist ein Verdrängungskörper 31 vorgesehen, in den die Druckmesszelle 37 möglichst passgenau eingebettet ist. Nähere Information zu dem Verdrängungskörper 31 ist einer Patentanmeldung zu entnehmen, die denselben Anmeldetag hat wie die vorliegende Patentanmeldung. Der entsprechende Offenbarungsgehalt ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit zuzurechnen.
Die vom Prozessmedium abgewandte Oberfläche des drucksensitiven Elements 11 wird im gezeigten Fall mit dem in der Installationsumgebung des Druckmessgeräts herrschenden Luftdruck über die Belüftungsbohrung 33 beaufschlagt. Das drucksensitive Element 11, bei dem es sich üblicherweise um einen Siliziumchip handelt, ist Teil der Druckmesszelle 37. Die Druckmesszelle 37 ist mit dem Gehäuse 38 druckdicht verbunden. Die Druckmesszelle 37 ist auf einer als Glasdurchführung 30 ausgebildeten Trägerplatte positioniert und daran befestigt. Die Glasdurchführung 30 besteht üblicherweise aus Metall, beispielsweise Stahl oder einer Stahl-Legierung, und ist in den Bereichen, in denen elektrische Anschlussleitungen 12 oder auch die Komponenten 32,33 hindurchgeführt sind, mit einer eingeschmolzenen Glasisolierung versehen. Bei Verwendung einer Glasdurchführung 30 ist eine gasdichte und ggf. druckdichte Isolation zum Elektronikraum 35 hin erreicht. Der Isolation dient auch der Verguss 34. Das Gehäuse 38 der Druckmesszelle 37 und das Kapillarbauteil 3 sind über einen radiale Schweißnaht 28 druckdicht miteinander verbunden. Die Schweißnaht 15 ist derart ausgebildet, dass sie dem spezifizierten Maximaldruck des Druckmessgeräts standhält.
3a zeigt eine Draufsicht auf die dem Prozessmedium 10 zugewandte Oberfläche der Trennmembran 6. 3c zeigt einen Längsschnitt durch den unteren, dem Prozessmedium 10 zugewandten Endbereich einer zusammengesetzten modularen Baugruppe 2. In 3b sind anhand eines Diagramms die Konturverläufe von Membranbett 5 und Trennmembran 6 zu sehen.
Während bei bekannten Membranbett 5 -Trennmembran 6 -Kombinationen der Konturverlauf von Membranbett 5 und Trennmembran 6 kongruent ist, weicht der Konturverlauf des Membranbettes 5 bei der erfindungsgemäßen Lösung von dem Konturverlauf der Trennmembran 6 ab. Das Membranbett 5 weist außerhalb des Randbereiches eine im Wesentlichen konkave Kontur mit radial zueinander versetzten, ringförmigen Ein- und/oder Ausprägungen 22 aufweist. Wie bereits zuvor erwähnt, wird die Trennmembran 6 in das Membranbett 5 bei einem definierten Prägedruck geprägt, so dass die Trennmembran 6 im Wesentlichen die Kontur des Membranbettes 5 aufweist. Der Unterschied zu der bekannten Lösung ist nun darin zu sehen, dass das Membranbett 5 im Bereich der axialen Schweißnaht 15 zur Verbindung von Prozessadaptergehäuse 7 und Kapillarbauteil 3 eine vertiefte, ringförmige Einprägung 23 aufweist. Diese vertiefte Einprägung 23 ist so bemessen, dass bei dem definierten Prägedruck ein Kontakt zwischen einer durch den Schweißvorgang gebildeten Schweißnahtraupe und der Trennmembran 6 ausgeschlossen ist. Somit kann eine Nachbehandlung der Schweißnaht 15 entfallen. Die Höcker in der Einprägung 23 simulieren eine potentielle Schweißnahtüberhöhung.
Zuvor wurde bereits beschrieben, dass die erfindungsgemäße modulare Baugruppe 2 für einen Drucksensor 1 so ausgestaltet ist, dass das drucksensitive Element 11, das Teil der Druckmesszelle 37 ist, thermisch von dem Prozessmedium 8 und/oder von Temperatureinflüssen während des Fertigungsprozesses entkoppelt ist. Thermische Entkopplung bedeutet im Zusammenhang mit der Erfindung, dass der Einfluss der Temperatur unschädlich für die spezifizierten Eigenschaften der temperaturempfindlichen drucksensitiven Elements 11 der Druckmesszelle 37 ist.
Darüber hinaus sind das Kapillarbauteil 3 mit drucksensitivem Element 11 und Glasdurchführung 30 auch mechanisch von dem Prozessadaptergehäuse 7 entkoppelt. Wie in 2 zu sehen, erfolgt die mechanische Entkopplung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über 4 Dichtungsringe/O-Ringe 27. Das Kunststoffformteil 29, das zwischen der Innenfläche 17 des Prozessadaptergehäuses 7 und der Außenfläche 18 des Kapillarbauteils 3 angeordnet ist, dient hierbei der Positionierung der O-Ringe 27 in den gewünschten Bereichen. Bevorzugt sind die Dichtungsringe 27 derart innerhalb des Prozessadaptergehäuses 7 angeordnet, dass die verbleibenden mit Umgebungsluft gefüllten Hohlräume ein minimiertes Volumen aufweisen. Je geringer das eingeschlossene Luftvolumen ist, desto geringer ist die Gefahr von Kondensatbildung im Innenraum des Drucksensors. Weiterhin sind die Kapillare 4 und der Luftspalt 36, über den die Referenzluftzufuhr zwischen den beiden Referenzluftzuführungen 33a, 33b erfolgt, so dimensioniert, dass der Drucksensor bevorzugt auch im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden kann. Nähere Ausführungen hierzu sind einer Patentanmeldung der Anmelderin zu entnehmen, die denselben Anmeldetag wie die die vorliegende Patentanmeldung hat. Der entsprechende Offenbarungsgehalt dieser parallelen Patentanmeldung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit hinzuzurechnen.
In den Figuren 5 und 6 ist eine zweite Ausgestaltung eines Drucksensors 1 mit der erfindungsgemäßen modularen Baugruppe 2 zu sehen. Bei dieser Ausgestaltung wurde auf das Kunststoffformteil 29 verzichtet werden. Die beiden das Luftvolumen im Innenraum des Drucksensors 1 begrenzenden O-Ringe 27 sind zwischen der Außenfläche des becherförmigen Gehäuses 38 und der Innenfläche des Prozessadaptergehäuses 7 bzw. der Innenfläche des Gehäuses 41 angeordnet. Die Lagerung erfolgt über geeignete Ausnehmungen. Auch hier wird eine weitgehende mechanische Entkopplung infolge der federnden Lagerung des Kapillarbauteils 2 im Prozessadaptergehäuse 7 bzw. im Gehäuse 41 erreicht.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine alternative Ausgestaltung der modularen Baugruppe. Das Kapillarbauteil 3 besteht aus einem Haltelement 24 und einem Kapillarrohr 25, das mit seinem vom Prozess abgewandten Endbereich in eine entsprechende Bohrung des Halteelements 2 eingefügt ist. Im Bereich der dem Prozess zugewandten Stirnfläche ist das Kapillarrohr 25 mit dem Membranbett 5 über eine axiale Schweißnaht 15 verbunden. Geeignete Abmessungen des Kapillarrohrs 25 wurden bereits an vorhergehender Stelle genannt. Auch hier ist das Kapillarbauteil 3 mit der in einem becherförmigen Gehäuse 38 eingebetteten Druckmesszelle 37 derart in dem Prozessadaptergehäuse 7 angeordnet, dass das temperaturempfindliche drucksensitive Element 11 sowohl thermisch als auch mechanisch vom Prozess entkoppelt ist.
Bezugszeichenliste

1: Drucksensor
2: modulare Baugruppe
3: Kapillarbauteil
4: Kapillare / Hydraulischer Pfad
5: Membranbett
6: Trennmembran
7: Prozessadaptergehäuse
8: Prozessanschluss
9: Schraubgewinde
10: Prozessmedium
11: Druckwandler /drucksensitives Element
12: Verbindungsdraht
13: mittige Ausnehmung
14: dem Prozessmedium zugewandte Stirnfläche des Kapillarbauteils
15: axiale Schweißnaht
16: Außenfläche des Kapillarbauteils
17: Innenfläche des Prozessadaptergehäuses
18: Hohlraum
19: Verdickung
20: Anschlagfläche
21: zweite Verdickung
22: ringförmige Einprägung
23: vertiefte ringförmige Einprägung
24: Halterung
25: Kapillarrohr
26: rohrförmige Öffnung
27: O-Ring
28: radiale Schweißnaht
29: Kunststoffformteil
30: Glasdurchführung
31: Verdrängungskörper
32: Füllröhrchen für die Übertragungsflüssigkeit
33: Belüftungsbohrung / Referenzluftzuführung
34: Verguss / Isolation
35: Elektronikanschluss
36: Luftspalt
37: Druckmesszelle
38: becherförmiges Gehäuse
39: Übertragungsflüssigkeit
40: Druckkammer

Claims

Modulare Baugruppe für ein Druckmessgerät zur Messung des Drucks eines Prozessmediums (10) mit einem Prozessadaptergehäuse (7) und einem Kapillarbauteil (3), wobei das Kapillarbauteil (3) in dem Prozessadaptergehäuse (7) anordenbar ist, wobei die dem Prozessmedium (8) zugewandte Stirnfläche (14) des Prozessadaptergehäuses (7) als Membranbett (5) für eine Trennmembran (6) ausgestaltet ist, und wobei in dem Membranbett (5) im Wesentlichen mittig eine Ausnehmung (13) vorgesehen ist, wobei das Kapillarbauteil (3) eine im Wesentlichen mittig und in Längsrichtung des Kapillarbauteils (3) verlaufende Kapillare (4) einer definierten Länge aufweist, über die der zumessende Druck des Prozessmediums (8) auf ein drucksensitives Element (11) übertragbar ist, wobei der dem Prozessmedium (8) zugewandte Endbereich des Kapillarbauteils (3) so ausgestaltet und angeordnet ist, dass er die Ausnehmung (13) in dem Membranbett (5) ausfüllt und dass der Randbereich der Stirnfläche (14) des Kapillarbauteils (3) und der radial an die Ausnehmung (13) angrenzende Bereich des Membranbettes (5) im Wesentlichen in einer Ebene liegen, und wobei das Kapillarbauteil (3) und das angrenzendem Membranbett (5) des Prozessadaptergehäuses (7) über eine axiale Schweißnaht (15) miteinander verbunden sind.
Modulare Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die definierte Länge der Kapillare (4) und die Ausgestaltung des korrespondierenden Kapillarbauteils (3) so bemessen sind, dass ein während der Fertigung des Drucksensors (1) oder während des laufenden Betriebs des Drucksensors (1) auftretender Temperaturschock oder eine erhöhte Temperatur des Prozessmediums (8) für das drucksensitive Element (11) unkritisch ist.
Modulare Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kapillarbauteil (3) in einem mittleren Teilabschnitt derart verjüngt ist, dass ein Hohlraum (18) zwischen der Außenfläche (16) des Kapillarbauteils (3) und der korrespondierenden Innenfläche (17) des Prozessadaptergehäuse (7) vorhanden ist.
Modulare Baugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Kapillarbauteil (3) in einem vom Prozess abgewandten oberen Teilabschnitt einen maximalen Außendurchmesser aufweist, der geringer ist als der korrespondierende Innendurchmesser des Prozessadaptergehäuses (7), so dass der Hohlraum (18) zwischen der Außenfläche (16) des Kapillarbauteils (3) und der korrespondierenden Innenfläche (17) des Prozessadaptergehäuses (7) vorhanden ist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Bereich der Außenfläche (16) des Kapillarbauteils (3) und ein korrespondierender Bereich der Innenfläche (17) des Prozessadaptergehäuses (7) so ausgestaltet sind, dass das Kapillarbauteil (3) axial in dem Prozessadaptergehäuse (7) positionierbar ist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kapillarbauteil (3) im unteren dem Prozess zugewandten Teilabschnitt eine Verdickung (19) aufweist, die an einer ersten korrespondierenden axialen Anschlagfläche (20) im Innenraum des Prozessadaptergehäuses (7) anliegt.
Modulare Baugruppe nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, wobei das Kapillarbauteil (3) im oberen vom Prozess abgewandten Teilabschnitt eine zweite Verdickung (21) aufweist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kapillarbauteil (3) und/oder das Prozessadaptergehäuse (7) als Drehteile/als Drehteil ausgestaltet sind/ist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei das Kapillarbauteil (3) aus einer Halterung (24) und einem Kapillarrohr (25) besteht, wobei das Kapillarrohr (25) in eine mittig angeordnete, rohrförmige Öffnung (26) in der Halterung (24) eingefügt und mit der Halterung (24) verbunden ist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranbett (5) außerhalb des Randbereiches eine im Wesentlichen konkave Kontur mit radial zueinander versetzten, ringförmigen Ein- und/oder Ausprägungen aufweist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran (6) in das Membranbett (5) bei einem definierten Prägedruck geprägt ist und wobei die Trennmembran (6) im Wesentlichen die Kontur des Membranbettes (5) aufweist.
Modulare Baugruppe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranbett (5) im Bereich der axialen Schweißnaht (15) zur Verbindung mit dem Kapillarbauteil (3) eine vertiefte, ringförmige Einprägung (23) aufweist, wobei die vertiefte Einprägung (23) so bemessen ist, dass bei dem definierten Prägedruck ein Kontakt zwischen einer durch den Schweißvorgang gebildeten Schweißnahtraupe und der Trennmembran (6) ausgeschlossen ist.