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Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Drucks eines Gases, insbesondere eines Wasserstoff enthaltenden Gases.
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In der Druckmesstechnik sind Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdruckmessaufnehmer bekannt. Absolutdruckmessaufnehmer bestimmen den vorherrschenden Druck absolut, d. h. in Bezug auf Vakuum, während Differenzdruckmessaufnehmer die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken bestimmen. Bei Relativdruckmessaufnehmern wird der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient. Eine Vielzahl solcher Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdruckmessaufnehmer wird von Firmen der Endress + Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
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Druckmessaufnehmer weisen typischerweise eine druckempfindliche Prozessmembran auf, welche prozessseitig angeordnet ist, so dass auf die Außenfläche der Prozessmembran der zu messende Druck des Mediums einwirkt. Da übliche Drucksensoren empfindlich auf verschiedene Eigenschaften des Mediums, wie Säuregehalt o.ä., reagieren, wird der zu messende Druck üblicherweise mithilfe einer Druckmittlerflüssigkeit von der Prozessmembran an eine erste Fläche des Drucksensors übertragen. Auf einer der ersten Fläche gegenüberliegenden zweiten Fläche des Drucksensors liegt dann beispielsweise ein Referenzdruck an.
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Derartige Druckmessaufnehmer sind für eine Vielzahl von flüssigen und gasförmigen Medien ausgelegt. Jedoch wird das Ausfallrisiko des Druckmessaufnehmers deutlich erhöht, wenn das Medium gelösten Wasserstoff oder Anteile von Wasserstoffgas oder an anderen aggressiven Gasen enthält. Wasserstoff diffundiert in die Prozessmembran hinein und versprödet diese oder beeinflusst deren Elastizität, so dass die Prozessmembran nicht mehr in einer vorher eingestellten Weise auf den Druck des Mediums reagiert. In einem zweiten Schritt dringt das Wasserstoffgas über die Prozessmembran auch in die Druckmittlerflüssigkeit ein und löst sich darin. Bei einer Änderung des Drucks oder der Temperatur kommt es zur Entstehung von Gasblasen innerhalb der Druckmittlerflüssigkeit, welche wiederum einen Messfehler in das Drucksignal einbringen. In Abhängigkeit von dem Medium und den Prozessbedingungen ist die Standzeit des Druckmessaufnehmers gering: Es kann ein paar Tage oder mehrere Monate dauern, bis der Druckmessaufnehmer schließlich ausfällt.
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Um das Eindringen des Wasserstoffgases in den Druckmessaufnehmer zu verhindern, wird die Prozessmembran beispielsweise prozessseitig mit einer dünnen Goldschicht beschichtet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Druckmessaufnehmer bereitzustellen, welcher für den Einsatz in Gasen, insbesondere in Wasserstoff enthaltenden Gasen, ausgelegt ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Drucks eines Gases, insbesondere eines Wasserstoff enthaltenden Gases, mit
- - einem Prozessanschluss mit einer Bohrung für die Aufnahme des Gases,
- - einem Messwerk mit einem Drucksensor und mindestens einer Durchführung für mit dem Drucksensor verbundene, elektrische Leitungen, wobei das Messwerk mit dem Prozessanschluss kraftschlüssig und druckdicht verbunden ist, und
- - einem Füllstift, wobei der Füllstift zwischen dem Prozessanschluss und dem Drucksensor angeordnet und derart ausgestaltet ist, dass das Gas von der Bohrung entlang eines Spalts zwischen dem Füllstift und dem Messwerk zu einer ersten Fläche des Drucksensors geführt wird, wobei auf einer zweiten Fläche des Drucksensors ein definierter Druck anliegt.
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Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer zeichnet sich insbesondere durch die Abwesenheit einer Prozessmembran und einer Druckmittlerflüssigkeit aus, welche besonders anfällig gegenüber Gasen wie Wasserstoff sind. Das Gas, insbesondere das Gas, welches Wasserstoff enthält, wird durch die Bohrung und entlang des Spalts zwischen Messwerk und Füllstift zur ersten Fläche des Drucksensors geführt. Das Gas kann ein reines Gas oder ein Gasgemisch sein, insbesondere kann es anteilig Wasserstoff oder nur Wasserstoff enthalten. Das Drucksignal des Drucksensors wird über elektrische Leitungen zu einer außerhalb des Druckmessaufnehmers liegenden Elektronikeinheit geführt. Der Spalt kann in den Füllstift oder das Messwerk eingebracht sein oder durch Fertigungstoleranzen des Füllstifts und des Messwerks gebildet sein.
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In herkömmlichen Druckmessaufnehmern wird der Durchmesser der Druckmessaufnehmers in der Regel durch den Durchmesser der Prozessmembran bestimmt, welche einen Durchmesser von etwa 17 mm aufweist. Da der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer ohne Prozessmembran auskommt, ist eine Verkleinerung des Druckmessaufnehmers möglich. Das Messwerk ist üblicherweise mittels einer Schweißung mit dem Prozessanschluss verbunden. Aufgrund der geringeren Durchmesser der Komponenten des erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers gegenüber herkömmlichen Versionen ist eine geringere Tiefe der Schweißung nötig, was den Herstellungsprozess vereinfacht.
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In einer Ausgestaltung ist eine zweite Bohrung im Bereich des Füllstifts angeordnet, durch welche das Gas vom Spalt zum Drucksensor geführt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Spalt derartig dimensioniert und ausgestaltet, dass eine vorgegebene Zündschutzart erfüllt ist. Aufgrund der elektrischen Kontakte im Bereich des Drucksensors kann es zu einer Zündung des Gases im Bereich des Drucksensors kommen. Der Spalt sorgt dafür, dass eine Explosion des Gases, die innerhalb des Bereichs des Drucksensors entsteht, sich nicht in das Medium hinein ausbreitet. Der Spalt bildet somit eine Flammendurchschlagssperre. Die vorgegebene Zündschutzart ist beispielsweise Ex-d (druckfeste Kapselung).
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der auf der zweiten Fläche des Drucksensors anliegende, definierte Druck ein Vakuum.
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In einer Weiterbildung ist der Drucksensor ein resistiver Silizium-Chip. Durch den Einsatz eines resistiven Silizium-Chips wird ein kostengünstigerer Druckmessaufnehmer erhalten als beispielsweise beim Einsatz eines kapazitiven Drucksensors.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Druck des Gases ein Druck bis 1000 bar, insbesondere ein Druck bis 1500 bar.
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Bevorzugterweise ist eine Glasdurchführung als Durchführung für mit dem Drucksensor verbundenen elektrische Leitungen vorgesehen, wobei die Glasdurchführung in einem dem Füllstift abgewandten Bereich des Drucksensors angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise hat die erste Bohrung des Prozessanschlusses einen Durchmesser von kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 7 mm, aufweist. Die Verkleinerung des Druckmessaufnehmers ermöglicht ebenso eine Verringerung des Durchmessers der ersten Bohrung.
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In einer Ausgestaltung weist die Schweißung 13 einen Außendurchmesser von weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 21 mm, und einen Innendurchmesser von weniger als 16 mm, insbesondere weniger als 13 mm auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen der Füllstift und die Durchführung jeweils einen Durchmesser von kleiner als 10 mm, insbesondere von etwa 7 mm, auf.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Messwerk mit dem Prozessanschluss mittels einer Schweißung verbunden ist.
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Bevorzugterweise weist der Druckmessaufnehmer ein Halteelement auf, welches im Bereich des Füllstifts angeordnet ist und welches dazu ausgestaltet ist, den Füllstift zwischen dem Drucksensor und dem Prozessanschluss in Position zu halten. Der Füllstift wird mithilfe des Halteelements in eine gewünschte Position gebracht und dort festgehalten.
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In einer Ausgestaltung ist das Halteelement eine Federscheibe, welche zwischen dem Prozessanschluss und dem Füllstift angeordnet ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der nachfolgenden Figur 1 näher erläutert werden. Sie zeigt:
- 1: einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer.
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Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 aus 1 dient zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Gases, insbesondere eines Wasserstoff enthaltenden Gases, beispielsweise bis zu Drücken von 1000 bar oder insbesondere von Drücken bis 1500 bar. Der Druckmessaufnehmer 1 ist mittels eines Prozessanschlusses 2 an einem Behälter, wie beispielsweise einem Tank oder einem Rohr, angebracht. Das Gas wird zunächst über eine erste Bohrung 3 im Prozessanschluss 2 aufgenommen. An den Prozessanschluss 2 schließt ein Messwerk 4 an, in welchem ein Drucksensor 5 und mindestens eine Durchführung 6 angeordnet sind. Bei der Durchführung 6 handelt es sich beispielsweise um eine Glasdurchführung, durch welche die elektrischen Leitungen 7 geführt werden, mit welchen der Drucksensor 5 verbunden ist. Das Messwerk 4 ist kraftschlüssig und druckdicht mit dem Prozessanschluss 2 verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißung 13.
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Weiterhin ist ein Füllstift 8 zwischen dem Prozessanschluss 2 und dem Drucksensor 5 angeordnet, wobei ein Spalt 9 zwischen dem Füllstift 8 und dem Messwerk 4 vorgesehen ist, entlang dessen das Gas von der ersten Bohrung 3 zu einer ersten Fläche 10 des Drucksensors 5 geführt wird. Im Wesentlichen sorgt der Füllstift 8 in Verbindung mit dem Spalt 9 dafür, dass nur kleine Volumina an Gas über die Länge des Spalts 9 auf den Drucksensor 5 gelangen, so dass im Falle einer Explosion im Bereich des Drucksensors 5 diese sich nicht in die erste Bohrung 3 hinein ausbreitet. Der Spalt 9 ist beispielsweise derartig dimensioniert und ausgestaltet, dass eine vorgegebene Zündschutzart erfüllt ist, wie beispielsweise die der druckfesten Kapselung Ex-d. Auf einer der ersten Fläche 10 gegenüberliegenden zweiten Fläche 11 des Drucksensors 5 liegt ein definierter Druck an, beispielsweise ein Vakuum, so dass der Druck p1 des Gases bestimmt werden kann. Der Drucksensor 5 ist beispielsweise ein resistiver Silizium-Chip. Optional kann eine zweite Bohrung 12 im Bereich des Füllstifts 8 angeordnet sein, durch welche das Gas von dem Spalt 9 zum Drucksensor 6 geführt wird.
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Darüber hinaus kann der Druckmessaufnehmer 1 ein optionales Halteelement 14 aufweisen, welches im Bereich des Füllstifts 8 angeordnet ist und welches dazu ausgestaltet ist, den Füllstift 8 zwischen dem Drucksensor 5 und dem Prozessanschluss 2 in Position zu halten. Der Füllstift 8 ist dabei nicht mit dem Messwerk 4 verbunden, sondern wird mithilfe des Halteelements 14 im Messwerk 4 eingesetzt und festgehalten. Wie in 1 beispielhaft dargestellt, kann das Halteelement 14 eine Federscheibe sein, welche zwischen dem Prozessanschluss 2 und dem Füllstift 8 angeordnet ist. Zur Unterstützung der Federscheibe 14 sind optional Stützstellen 16 am Prozessanschluss 2 angebracht.
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Die Durchführung 6, welche beispielsweise als Glasdurchführung ausgeführt ist, ist in einem dem Füllstift 8 abgewandten Bereich des Drucksensors 5 angeordnet. Typischerweise ist die Durchführung 6 mit dem Messwerk 4 über eine Schweißung verbunden. Folglich ist der Drucksensor 5 zwischen dem Füllstift 8 und der Glasdurchführung 6 angeordnet. Im Messwerk sind optional Kanäle 17 eingebracht, durch welche die elektrischen Leitungen 7 durchgeführt werden. Die elektrischen Leitungen 7 sind beispielsweise mit einer Leiterplatte 15 oder einer Elektronikeinheit verbunden.
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Durch den Wegfall der sonst üblichen Prozessmembran kann der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 verkleinert ausgeführt werden. Beispielsweise weist die Bohrung 3 des Prozessanschlusses 2 einen Durchmesser von weniger als 10 mm, insbesondere kleiner als 7 mm, auf. Ebenso können auch der Füllstift 8 und die Durchführung 6 mit jeweiligen Durchmessern von beispielsweise unter 10 mm, insbesondere von unter 7 mm, ausgestaltet sein.
Ebenso können auch der Füllstift 8 und die Durchführung 6 mit jeweiligen Durchmessern von beispielsweise unter 10 mm, insbesondere von unter 7 mm, ausgestaltet sein.
Die Schweißung 13 weist beispielsweise einen Außendurchmesser von weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 21 mm, und einen Innendurchmesser von weniger als 16 mm, insbesondere weniger als 13 mm auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessaufnehmer
- 2
- Prozessanschluss
- 3
- erste Bohrung
- 4
- Messwerk
- 5
- Drucksensor
- 6
- Durchführung
- 7
- elektrische Leitungen
- 8
- Füllstift
- 9
- Spalt
- 10
- erste Fläche des Drucksensors
- 11
- zweite Fläche des Drucksensors
- 12
- zweite Bohrung
- 13
- Schweißung
- 14
- Halteelement
- 15
- Leiterplatte
- 16
- Stützstelle
- 17
- Kanal
