DE102020101446A1

DE102020101446A1 - Hydraulischer Druckmittler und Druckaufnehmer mit hydraulischem Druckmittler

Info

Publication number: DE102020101446A1
Application number: DE102020101446.5A
Authority: DE
Inventors: Patrick Doria; Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22
Also published as: WO2021148194A1

Abstract

Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums mit einer thermoelektrischen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einer durch das Prozessmedium zugeführten Wärme, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche (2) befestigt ist, wobei eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran (3) mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite (33) beaufschlagbar ist, die Druckkammer (4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit (7) gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine Membran mit einem umlaufenden Rand (32) ist und die Membran über eine umlaufende Schweißnaht (10) druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden ist und die Trennmembran (3) einen zentralen Mittenbereich (12) aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen thermoelektrischen Generator (20) umfasst, der derartig in dem Mittenbereich angeordnet ist, dass elektrische Energie aus der durch das Prozessmedium zugeführten Wärme erzeugbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckaufnehmer mit einem hydraulischen Druckmittler.
Druckaufnehmer mit einem hydraulischen Druckmittler umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist, an dem eine Trennmembran mit zumindest zwei Schweißnähten druckdicht befestigt ist, so dass zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, die über eine Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert. Die Druckkammer und der hydraulische Pfad sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
Derartige Druckaufnehmer mit hydraulischen Druckmittlern werden in industriellen Automatisierungsanlagen zum Bestimmen eines Prozessdruckes eines Mediums eingesetzt. In manchen harschen Prozessumgebungen ist eine Verkabelung u. A. zur Energie- und/oder Datenübertragung nicht möglich. In diesen Fällen werden die Druckaufnehmer als autarke Geräte ausgeführt, die ihre Daten per Funkverbindung z.B. über eine Bluetoothverbindung oder ähnliches mit Hilfe von integrierten Batterien übertragen.
Der Einsatz von Batterien ist allerdings nachteilig, da aufgrund von externen Faktoren, z.B. Umgebungstemperatur, die Lebensdauer stark verkürzt werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der den genannten Nachteil des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des Patentanspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des Patentanspruchs 11. Der erfindungsgemäße Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums mit einer thermoelektrischen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einer durch das Prozessmedium zugeführten Wärme umfasst:

einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist;
und eine Trennmembran, die an der Oberfläche befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, welche über eine Öffnung in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran eine plattenförmige Membran mit einem umlaufenden Rand ist und die plattenförmige Membran über eine umlaufende Schweißnaht druckdicht mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden ist und die Trennmembran einen zentralen Mittenbereich aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen thermoelektrischen Generator umfasst, der derartig in dem Mittenbereich angeordnet ist, dass elektrische Energie aus der durch das Prozessmedium zugeführten Wärme erzeugbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der thermoelektrische Generator derartig in dem Mittenbereich angeordnet ist, dass der thermoelektrische Generator vollständig auf einer der von dem Prozessmedium abgewandten zweiten Seite der Trennmembran angeordnet ist, sodass der thermoelektrische Generator keinen Kontakt mit dem Prozessmedium hat. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Grundkörper in dem Mittenbereich mit der Trennmembran derartig verbunden ist, dass die Übertragungsflüssigkeit nicht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator kommt. Ergänzend oder alternativ kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Grundkörper in dem Mittenbereich mit der Trennmembran durch eine umlaufende Klebeverbindung verbunden ist, so dass die Übertragungsflüssigkeit nicht in Kontakt mit dem Temperatursensor kommt. Ergänzend oder alternativ kann die umlaufende Klebeverbindung zwischen einer den Mittenbereich begrenzenden Umlauflinie und der zentralen Ausnehmung aufgebracht ist. Ergänzend oder alternativ kann der thermoelektrische Generator im Mittenbereich an der zweiten Trennmembranseite mit der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Schicht, vorzugsweise eine wärmeleitfähige Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der thermoelektrische Generator derartig in dem Mittenbereich angeordnet ist, dass der thermoelektrische Generator zumindest teilweise auf der zu dem Prozessmedium hingewandten ersten Seite der Trennmembran angeordnet ist und/oder zumindest teilweise durch die Trennmembran hindurch geführt ist, sodass der thermoelektrische Generator zumindest teilweise im Kontakt mit dem Prozessmedium ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper eine durchgehende, zentrale Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung aufweist, in welche der thermoelektrische Generator von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers einsetzbar bzw. eingesetzt ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der thermoelektrische Generator aus zumindest einem Thermoelement mit zwei metallischen Leitern mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten ausgebildet ist und die beiden metallischen Leiter an einem ersten Ende, welches sich in der Ausnehmung im Bereich der Trennmembran befindet und an einem zweiten Ende, welches sich außerhalb der zentralen Ausnehmung an der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers befindet, miteinander verbunden sind, sodass die beiden Enden einem Temperaturgradienten ausgesetzt sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper und die Trennmembran jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Druckwandler, umfassend:

einen Druckmittler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und eine Druckmesszelle, die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie einer elektronischen Schaltung, um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Druckwandlers ist vorgehsehen, dass die elektronische Schaltung ferner einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie aufweist und die elektronische Schaltung dazu ausgebildet ist, die durch den thermoelektrischen Generator erzeugte elektrische Energie dem Energiespeicher zuzuführen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckwandlers sieht vor, dass der Druckwandler ein Absolutdruckwandler, ein Relativdruckwandler oder ein Differenzdruckwandler ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckwandler,
2: ein Ausschnitt von einem Längsschnitt durch eine erste Variante des erfindungsgemäßen Druckmittlers, der Teil des Druckwandlers ist, und
3 ein Ausschnitt von einem Längsschnitt durch eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Druckmittlers, der Teil des Druckwandlers ist.

Der in 1 dargestellte Druckwandler umfasst einen Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 2, an der eine scheibenförmige Trennmembran 3 mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht 10 an ihrem umlaufenden Außenrand 32 befestigt ist, wodurch sich zwischen dem Grundkörper und der Trennmembran 3 eine Druckkammer 4 bildet. Die Trennmembran 3 dieses Ausführungsbeispiels weist mehrere umlaufende Sicken 19 auf. Von der Druckkammer 4 erstreckt sich eine Bohrung durch den Grundkörper 1, umso einen hydraulischen Pfad zu bilden und den Druck zu einem Druckempfänger zu übertragen. Damit der Druck auch entsprechend übertragen werden kann, ist die Druckkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit 7, bspw. ein Öl, gefüllt.
Die bisher beschriebenen Komponenten betreffen mit anderen Worten ein Druckmittlermodul, welches mit einer Druckmesszelle 11 kombiniert ist, um den erfindungsgemäßen Druckwandler zu bilden. Die Druckmesszelle 11 umfasst einen Trägerkörper 111, an dem eine piezoresistives Druckmesselement 11 befestigt ist. Die Druckmesszelle kann als Relativ-, Differenzdruck- oder als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Druckmesszelle als Relativdruckmesszelle ausgebildet. Hierbei wird über einen im Trägerkörper 111 integrierten Kanal 112, der mit der Bohrung durch den Grundkörper verbunden ist, die Druckmesszelle mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Insoweit dient die Druckmesszelle 11 als Druckempfänger des durch die Bohrung und den Kanal 112 realisierten hydraulischen Pfades.
Das Primärsignal der Druckmesszelle 11 wird zunächst von einer Schaltung auf einer Platine 14 vorverarbeitet, bevor es weiter aufbereitet und bspw. durch eine drahtlose Kommunikation über ein gängiges Funkprotokoll übertragen wird.
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst weiterhin einen thermoelektrischen Generator 20, der in einer zentralen Bohrung 8 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls eingebracht ist. Eine zentrale Bohrung 8 bedeutet hierbei eine Bohrung, die sich entlang einer auf eine Außenkontur des Grundkörpers bezogene Rotationsachse erstreckt. Der thermoelektrische Generator 20 besteht aus mindestens einem insbesondere metallischen Leiterpaar 20a, 20b aus unterschiedlichen Materialien und somit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Das Leiterpaar 20a, 20b ist an einem ersten Ende, welches sich in der zentralen Bohrung im Bereich der Trennmembran befindet und an einem zweiten Ende, welches sich außerhalb der zentralen Bohrung 8 an einer medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers befindet miteinander verbunden. Aufgrund dessen, dass die Trennmembran in direktem Kontakt mit dem erwärmten Prozessmedium steht, ergibt sich ein Temperaturgradient zwischen dem Ende im Bereich der Trennmembran und dem Ende außerhalb des Grundkörpers.
Als Materialen für das Leiterpaar kommen insbesondere

- n-dotiertes Bismuttellurid Bi2Te3,
- NiCr-CuNi (E),
- Cu-CuNi (T), und/oder
- Fe-CuNi (J)

Gemäße einer ersten Variante der Erfindung, wie sie in 2 dargestellt ist, kann der thermoelektrische Generator 20 bis zu einer Rückseite, d.h. der prozessabgewandten zweiten Seite der Trennmembran 24, eingebracht sein, und derartig mit der Trennmembran verbunden sein, dass die Wärme des Prozessmediums zu dem thermoelektrischen Generator 20 gelangt, ohne dass der thermoelektrische Generator in unmittelbaren Kontakt mit dem Prozessmedium steht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der thermoelektrische Generator 20 im Mittenbereich 12 an der zweiten Trennmembranseite 34 mit der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Schicht 15, vorzugsweise eine wärmeleitfähige Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist. Gemäß dieser Variante hat der thermoelektrische Generator 20 also keinen direkten Kontakt mit dem Prozessmedium, sondern ist durch die Trennmembran 3 vor diesem geschützt. Dadurch, dass der thermoelektrische Generator 20 nicht in direkten Kontakt mit dem Prozessmedium steht, können Verschmutzung des Mediums durch den thermoelektrische Generator 20, die Korrosion des thermoelektrischen Generators sowie eine Wechselwirkung zwischen dem Medium und dem thermoelektrischen Generator 20 ausgeschlossen werden, sodass sich ein derartiger Aufbau insbesondere für hygienische Anwendungen und/oder bei aggressiven Chemikalien als Prozessmedium eignet.
Ferner kann gemäß der ersten Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass der thermoelektrische Generator 20 thermisch von der Übertragungsflüssigkeit 7 entkoppelt ist. Dies kann beispielsweise durch eine umlaufende Klebeschicht bzw. Klebeverbindung 13 erfolgen.
Gemäße einer zweiten Variante der Erfindung, wie sie in 3 dargestellt ist, kann der thermoelektrische Generator 20 zumindest teilweise von der Rückseite des Grundkörpers 1 durch die Trennmembran 3 hindurchgeführt sein, sodass das erste Ende des Leitungspaares in direktem Kontakt mit dem Prozessmedium steht. Hierzu weist die Trennmembran 3 in dem Mittenbereich 12 eine Öffnung 6 auf, durch die das Leitungspaar 20a, 20b geführt ist. Um ein Eindringen des Prozessmediums in den Druckmittler zu verhindern, ist die Ausnehmung zumindest in dem an die Trennmembran angrenzenden Bereich mit einem Isolationsmaterial 9 verschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
2: Oberfläche
3: Trennmembran
31: Umlauflinie
32: Umlaufender Rand
33: Erste Seite der Trennmembran
34: Zweite Seite der Trennmembran
4: Druckkammer
5: Hydraulischer Pfad
6: Öffnung der Trennmembran
7: Übertragungsflüssigkeit
8: Ausnehmung bzw. Bohrung
9: Isolationsmaterial
10: Schweißnaht
11: Druckmesszelle
111: Trägerkörper
112: Kanal
12: Mittenbereich
13: Umlaufende Klebeverbindung
14: Elektronische Schaltung
15: Wärmeleitfähiger Kleber
18: Rotationsachse
19: Sicke
20: Thermoelektrischer Generator
40: Energiespeicher

Claims

Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums mit einer thermoelektrischen Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus einer durch das Prozessmedium zugeführten Wärme, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche (2) befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran (3) mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite (33) beaufschlagbar ist, die Druckkammer (4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit (7) gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine plattenförmige Membran mit einem umlaufenden Rand (32) ist und die plattenförmige Membran über eine umlaufende Schweißnaht (10) druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden ist und die Trennmembran (3) einen zentralen Mittenbereich (12) aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen thermoelektrischen Generator (20) umfasst, der derartig in dem Mittenbereich angeordnet ist, dass elektrische Energie aus der durch das Prozessmedium zugeführten Wärme erzeugbar ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der thermoelektrische Generator (20) derartig in dem Mittenbereich (12) angeordnet ist, dass der thermoelektrische Generator vollständig auf einer der von dem Prozessmedium abgewandten zweiten Seite der Trennmembran (34) angeordnet ist, sodass der thermoelektrische Generator keinen Kontakt mit dem Prozessmedium hat.
Druckmittler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Grundkörper (1) in dem Mittenbereich (12) mit der Trennmembran (3) derartig verbunden ist, dass die Übertragungsflüssigkeit (7) nicht in Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator (20) kommt.
Druckmittler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Grundkörper in dem Mittenbereich mit der Trennmembran durch eine umlaufende Klebeverbindung (13) verbunden ist, so dass die Übertragungsflüssigkeit (7) nicht in Kontakt mit dem Temperatursensor (20) kommt.
Druckmittler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die umlaufende Klebeverbindung zwischen einer den Mittenbereich (12) begrenzenden Umlauflinie (31) und der zentralen Ausnehmung (8) aufgebracht ist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrische Generator (20) im Mittenbereich an der zweiten Trennmembranseite mit der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Schicht (15), vorzugsweise eine wärmeleitfähige Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der thermoelektrische Generator derartig in dem Mittenbereich (12) angeordnet ist, dass der thermoelektrische Generator zumindest teilweise auf der zu dem Prozessmedium hingewandten ersten Seite der Trennmembran angeordnet ist und/oder zumindest teilweise durch die Trennmembran hindurch geführt ist, sodass der thermoelektrische Generator (20) zumindest teilweise im Kontakt mit dem Prozessmedium ist.
Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) eine durchgehende, zentrale Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung (8) aufweist, in welche der thermoelektrische Generator (20) von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers (1) einsetzbar bzw. eingesetzt ist.
Druckmittler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der thermoelektrische Generator (20) aus zumindest einem Thermoelement mit zwei metallischen Leitern (20a, 20b) mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten ausgebildet ist und die beiden metallischen Leiter (20a, 20b) an einem ersten Ende, welches sich in der Ausnehmung im Bereich der Trennmembran befindet und an einem zweiten Ende, welches sich außerhalb der zentralen Ausnehmung an der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers befindet, miteinander verbunden sind, sodass die beiden Enden einem Temperaturgradienten ausgesetzt sind.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) und die Trennmembran (3) jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
Druckwandler, umfassend: einen Druckmittler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und eine Druckmesszelle (11), die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie einer elektronischen Schaltung (14), um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle (11) ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.
Druckwandler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektronische Schaltung ferner einen Energiespeicher (40) zum Speichern von elektrischer Energie aufweist und die elektronische Schaltung (14) dazu ausgebildet ist, die durch den thermoelektrischen Generator (20) erzeugte elektrische Energie dem Energiespeicher (40) zuzuführen.
Druckwandler nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Druckwandler ein Absolutdruckwandler, ein Relativdruckwandler oder ein Differenzdruckwandler ist.