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Die Erfindung betrifft einen Relativdruckmessaufnehmer zur Bestimmung eines ersten Drucks eines Mediums. Das Medium, dessen Druck zu bestimmen ist, ist hierbei flüssig oder gasförmig.
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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 Differenzmessaufnehmer die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken bestimmen. Bei Relativdruckmessaufnehmer wird der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmer vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient.
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Relativdruckmessaufnehmer weisen ein druckempfindliches Messelement auf, den sogenannten Drucksensor, so dass auf eine erste Fläche des Messelements der zu messende Druck des Mediums einwirkt. Auf eine zweite Fläche des Messelements wirkt der Atmosphärendruck ein, welcher dem Messelement mittels einer Referenzdruckzuführung aus der Umgebung zugeführt wird. Das Messelement verbiegt sich in Abhängigkeit des vorliegenden Relativdrucks, welcher aus der Differenz zwischen dem zu messenden Druck des Mediums und dem Atmosphärendruck gebildet wird. Diese Verbiegung wird mittels einer Elektronikeinheit in ein vom Relativdruck abhängiges elektrisches Signal umgewandelt, das dann zur weiteren Verarbeitung oder Auswertung zur Verfügung steht. Dabei wird unter anderem zwischen kapazitiven und piezoresistiven Drucksensoren unterschieden. Eine Vielzahl solcher Relativdruckmessaufnehmer wird von Firmen der Endress+Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
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Häufig werden Relativdruckmessaufnehmer in industriellen Prozessen eingesetzt, in denen sie hohen Temperaturschwankungen und -differenzen zwischen Prozess und Umgebung ausgesetzt sind. Bei plötzlicher Abkühlung kann der Taupunkt der Luft in einem Innenraum des Relativdruckmessaufnehmer überschritten werden, was zur Kondensation der Luftfeuchtigkeit auf kalten Teilen innerhalb des Relativdruckmessaufnehmer führt. Die Luftfeuchtigkeit kann insbesondere durch die Öffnung des Relativdruckmessaufnehmers zur Umgebung, welche zum Bereitstellen des Referenzdrucks für das Messelement notwendig ist, und durch die Referenzdruckzuführung in den Relativdruckmessaufnehmer gelangen.
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Der Drucksensor und die Elektronikeinheit sind in der Regel sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. In der Folge von Feuchtigkeit können beispielsweise Hystereseeffekte am Drucksensor auftreten. Für eine zuverlässige Bestimmung des Drucks muss folglich sichergestellt sein, dass innerhalb des Relativdruckmessaufnehmers keine oder nur wenig Feuchtigkeit eintritt oder kondensiert. Im Idealfall ist der Relativdruckmessaufnehmer und speziell die Referenzdruckzuführung so aufgebaut, dass lediglich trockene Luft zum Messelement und zur Auswerteeinheit gelangt. In der Regel führt die Referenzdruckzuführung den Umgebungsdruck von einer Öffnung im Relativdruckmessaufnehmer, welche häufig im Gehäuse des Relativdruckmessaufnehmers angeordnet ist, zu dem Drucksensor. Teilweise ist zwischen der Öffnung und dem Messelement eine Trocknungskammer mit einem feuchteadsorbierenden Material angeordnet, welches der zugeführten Umgebungsluft aus der Referenzdruckzuführung Feuchtigkeit entzieht und die zugeführte Umgebungsluft so trocknet.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten der Referenzdruckzuführung bekannt. Häufig werden abschnittsweise gewundene Referenzdruckzuführungen als Diffusionsbarrieren eingesetzt, um das Eindringen von Feuchtigkeit in einen Innenraum des Relativdruckmessaufnehmers zu verzögern.
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Aus der
DE 10 2010 003 709 A1 ist ein Relativdruckmessaufnehmer mit einer Referenzdruckzuführung bekannt, welche sich in zwei aufeinanderfolgende Abschnitte gliedert: einer langen, spiralförmigen Eingangskapillare und einen im Wesentlichen geraden Abschnitt innerhalb des Gehäuses. Die Eingangskapillare kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein und führt den Umgebungsdruck aus der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers zu einem Innenraum des Relativdruckmessaufnehmers. Der gerade Abschnitt führt den Umgebungsdruck aus dem Innenraum an einer Trocknungskammer vorbei hin zum Messelement. Die Trocknungskammer weist ein feuchteadsorbierendes Material, wie u.a. Zeolith auf. Die Eingangskapillare ist als separater Schlauch vorgesehen, der dementsprechend Raum innerhalb des Relativdruckmessaufnehmers benötigt. Unabhängig davon, wie die Eingangskapillare relativ zum Gehäuse angeordnet ist, ist eine hohe Dichtigkeit an der Öffnung des Gehäuses, durch die die Eingangskapillare verläuft, erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Umgebungsluft ausschließlich durch die Eingangskapillare in den Innenraum eintritt. Ein Abdichten der Eingangskapillare an der Öffnung kann beispielsweise mittels einer Glasdurchführung erfolgen, was einen weiteren Prozessschritt erfordert.
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Die
EP 3 273 215 A1 offenbart einen Relativdruckmessaufnehmer mit einer Referenzdruckzuführung, welche zumindest abschnittweise als Nut innerhalb einer Seitenwandung eines Elektronikgehäuses angeordnet ist. Die Nut ist dabei mäanderförmig in der Seitenwandung geführt. Um die nach außen offene Nut abzuschließen, wird eine selbstklebende, luftundurchlässige Folie als Verschlussmittel im Bereich der Nut auf das Elektronikgehäuse aufgeklebt. Alternativ kann das Verschlussmittel auch als ein separates Gehäuseteil ausgebildet sein. Auch hier wird zum Abdichten der Nut ein separates Verschlussmittel, also Folie oder Gehäuseteil, benötigt, was ein hohes Maß an Dichtigkeit beim Verschließen der Nut erfordert, damit die Umgebungsluft nur innerhalb der Nut in den Innenraum des Relativdruckmessaufnehmers geführt wird.
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Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Relativdruckmessaufnehmer zu entwickeln, in dem der Referenzdruck auf einfache Weise zum Drucksensor geführt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Relativdruckmessaufnehmer zur Bestimmung eines ersten Drucks eines Mediums, mit
- - einem Prozessadapter mit einem Grundkörper,
- ◯ wobei in einem dem Medium zugewandten Endbereich des Grundkörpers eine druckempfindliche Prozessmembran vorgesehen ist,
- ◯ wobei der Grundkörper eine erste Druckübertragungsleitung aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, den ersten Druck des Mediums von der Prozessmembran zu einem in einer Ausnehmung des Grundkörpers angeordneten Drucksensor zu führen und eine erste Fläche des Drucksensors mit dem ersten Druck des Mediums zu beaufschlagen, und
- - einem Gehäuseadapter mit einem Basiskörper,
- ◯ wobei der Basiskörper mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist,
- ◯ wobei der Basiskörper eine zweite Druckübertragungsleitung aufweist, welche dazu ausgestaltet ist, einen Referenzdruck aus einer Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers zum Drucksensor zu führen und eine der ersten Fläche gegenüberliegenden, zweiten Fläche des Drucksensors mit dem Referenzdruck zu beaufschlagen,
- ◯ wobei der Gehäuseadapter gasdicht mit dem Prozessadapter verbunden ist.
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Im erfindungsgemäßen Relativdruckmessaufnehmer verläuft die zweite Druckübertragungsleitung, zumindest größtenteils, innerhalb des Basiskörpers. Damit entfallen aufwändige Verfahren zum Abdichten der zweiten Druckübertragungsleitung, welche der eingangs beschriebenen Referenzdruckzuführung entspricht. In solchen Fällen, in denen die zweite Druckübertragungsleitung nicht ausschließlich durch den Basiskörper verläuft, sondern abschnittsweise durch ein weiteres Element verläuft, wie beispielsweise eine Glas/Metall-Durchführung, welcher zwischen dem Basiskörper und dem Drucksensor angeordnet sein kann, muss lediglich sichergestellt sein, dass an dem Übertritt der zweiten Druckübertragungsleitung aus dem Basiskörper in das weitere Element, bspw. dem Durchführungselement, Gasdichtigkeit gewährleistet wird.
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Erfindungsgemäß ist der Basiskörper durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt, welches es erlaubt, beliebige Ausgestaltungen der zweiten Druckübertragungsleitungen auf einfache Weise und kostengünstig herzustellen. Als 3D-Druckverfahren kann beispielsweise ein selektives Laserschmelzverfahren eingesetzt werden, welches ein in Pulverform vorliegendes Metall in einer inerten Atmosphäre mittels eines Lasers schmilzt und verschweißt. Es sind aber auch andere 3D-Druckverfahren einsetzbar, welche auch unter dem Namen additive Fertigungsverfahren oder Rapid-Technologien bekannt sind. Der Einsatz des 3D-Druckverfahrens erlaubt es ferner, das Volumen des Basiskörpers bestmöglich auszunutzen, derart dass, eine maximal lang ausgestaltete, zweite Druckübertragungsleitung in dem Basiskörper erzeugt wird. Dadurch kann eine vorteilhaftes Verhältnis der Länge der zweiten Druckübertragungsleitung zu einem Durchmesser der zweiten Druckübertragungsleitung erreicht werden, welches in günstigen Fällen beispielsweise einen Wert von etwa 8800 annehmen kann. Es ist lediglich ein Mindestabstand zwischen den einzelnen Abschnitten der zweiten Druckübertragungsleitung einzuhalten, um die Trennung der einzelnen Abschnitte zu gewährleisten. Der Gehäuseadapter und der Prozessadapter sind bevorzugt aus einem oder zwei unterschiedlichen Metallen gefertigt. Der Gehäuseadapter weist insbesondere einen Anschlussbereich für die Verbindung mit einem Gehäuse auf.
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In einer Ausgestaltung ist die zweite Druckübertragungsleitung als eine gewundene Leitung ausgestaltet.
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In einer anderen Ausgestaltung ist die zweite Druckübertragungsleitung als spiralförmige Leitung ausgestaltet. Die spiralförmige Leitung verläuft insbesondere radial um die Achse des Gehäuseadapters.
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Insbesondere ist die spiralförmige Leitung mit einer Vielzahl an Windungen ausgestaltet, welche zumindest teilweise axial und radial zueinander angeordnet sind. Im Querschnitt des Gehäuseadapters erscheinen die einzelnen Windungen beispielsweise nebeneinander und gestapelt angeordnet.
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Vorzugsweise beträgt die Länge der zweiten Druckübertragungsleitung mehr als 3 m, insbesondere mehr als 5 m, insbesondere mehr als 7 m.
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Bevorzugt beträgt der Durchmesser der zweiten Druckübertragungsleitung zwischen 0,5 und 1,5 mm.
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Insbesondere beträgt der Durchmesser der zweiten Druckübertragungsleitung zwischen 0,8 und 1,0 mm.
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In einer Ausgestaltung ist in oder an einem Abschnitt des Basiskörpers ein feuchteadsorbierendes Material angeordnet, wobei die zweite Druckübertragungsleitung zumindest abschnittsweise am feuchteadsorbierenden Material vorbeiführt. Das feuchteadsorbierende Material nimmt Feuchtigkeit aus der in zweiten Druckübertragungsleitung vorhandenen Umgebungsluft auf und verhindert zusätzlich das Eintreten von Feuchtigkeit in einen Innenraum des Relativdruckmessaufnehmers.
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In einer Weiterbildung ist das feuchteadsorbierende Material in Form eines Ringes ausgestaltet. Der Ring ist beispielsweise radial zum Gehäuseadapter angeordnet. Auf diese Weise lässt sich das feuchteadsorbierende Material besonders platzsparend in den Relativdruckmessaufnehmer integrieren.
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Bevorzugt ist das feuchteadsorbierende Material ein Formkörper, welcher eine Polymermatrix und Zeolith aufweist. Der Formkörper ist beispielsweise ein Sinter- oder Kompositkörper. Aufgrund seiner Hohlraumstruktur eignet sich Zeolith besonders als Komponente eines feuchteadsorbierenden Materials.
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In einer Ausgestaltung sind der Gehäuseadapter und der Prozessadapter in ihren einander zugewandten Bereichen zumindest abschnittsweise miteinander korrespondierend ausgestaltet. In den zumindest abschnittsweise korrespondierend ausgestalteten Bereichen kann beispielsweise eine Verbindung zwischen Gehäuseadapter und Prozessadapter erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gehäuseadapter mittels einer radialen Schweißung mit dem Prozessadapter verbunden, wobei die radiale Schweißung jeweils im Bereich einer Außenwandung des Gehäuseadapters und des Prozessadapters angeordnet ist.
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In einer Weiterbildung ist der Gehäuseadapter mittels einer axialen Schweißung mit dem Prozessadapter verbunden, wobei die axiale Schweißung quer durch einen Endabschnitt der zweiten Druckübertragungsleitung führt, ohne die zweite Druckübertragungsleitung zu verschließen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren 1-2 näher erläutert werden. Sie zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relativdruckmessaufnehmers.
- 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relativdruckmessaufnehmers.
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In 1 ist eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relativdruckmessaufnehmers 1 schematisch dargestellt. Der Relativdruckmessaufnehmer 1 umfasst zwei Module: das prozessseitig angeordnete Prozessadapter 3 mit einem Grundkörper 4 und den prozessabgewandten Gehäuseadapter 10 mit einem Basiskörper 11. In ihren einander zugewandten Bereichen sind der Gehäuseadapter 10 und der Prozessadapter 3 zumindest abschnittsweise korrespondierend ausgestaltet. Der Gehäuseadapter 10 ist gasdicht mit den Prozessadapter 3 verbunden, beispielsweise mittels einer radialen Schweißung 15, welche im Bereich einer Außenwandung 10a des Gehäuseadapters 10 und einer Außenwandung 3a des Prozessadapters angeordnet ist. Umgebungsluft kann somit nur über die zweite Druckübertragungsleitung 7b in den Relativdruckmessaufnehmer 1 eintreten.
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Im dem Medium 2 zugewandten Endbereich 5 des Grundkörpers 4 ist eine druckempfindliche Prozessmembran 6 angeordnet, welche mit dem ersten Druck p1 des Mediums 2 beaufschlagt ist. Eine im Grundkörper 4 vorgesehene erste Druckübertragungsleitung 7a ist dazu ausgestaltet, den ersten Druck p1 des Mediums 2 von der Prozessmembran 6 zu einem in einer Ausnehmung 8 des Grundkörpers 4 angeordneten Drucksensor 9 zu führen und eine erste Fläche 9a des Drucksensor 9 mit dem ersten Druck p1 zu beaufschlagen. Eine zweite Fläche 9b des Drucksensors 9 ist mit einem Referenzdruck p2 aus der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers 1 beaufschlagt und ist gegenüber der ersten Fläche 9a angeordnet.
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Der Basiskörper 11 weist dementsprechend eine zweite Druckübertragungsleitung 7b auf, welche dazu ausgestaltet ist, den Referenzdruck p1 aus der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmers 1 der zweiten Fläche 9b des Drucksensor 9 zuzuführen. Der Basiskörper 11 ist mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt. Beispielsweise kann mittels des 3D-Druckverfahrens die zweite Druckübertragungsleitung 7b in Form einer gewundenen oder spiralförmigen Leitung 13 ausgestaltet sein. Die beispielhaft gezeigte spiralförmige Leitung 13 ist mit einer Vielzahl an Windungen ausgestaltet, welche zumindest teilweise axial und radial zueinander angeordnet sind. Insbesondere verläuft die zweite Druckübertragungsleitung 7b bis zu 90%, insbesondere bis zu 95%, insbesondere bis zu 99%, ihrer Länge durch den Basiskörper.
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Der Einsatz des 3D-Druckverfahrens zur Herstellung des Basiskörpers 11 erlaubt es auch, eine sehr lange zweite Druckübertragungsleitung 7b mit einem geringen Durchmesser zu erzeugen. Beispielsweise kann die Länge der zweiten Druckübertragungsleitung 7b mehr als 3 m, insbesondere mehr als 5 m, insbesondere mehr als 7 m, betragen. Der Durchmesser der zweiten Druckübertragungsleitung 7b kann zwischen 0,5 und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,8 und 1,0 mm, betragen. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser kann daher sehr hoch werden, was den Eintrag von Feuchtigkeit in den Relativdruckmessaufnehmer 1 reduziert. Bei einer Länge von etwa 7 m und einem Durchmesser von etwa 0,8 mm wird ein Länge zu DurchmesserVerhältnis von etwa 8800 erhalten.
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Um die erste Druckübertragungsleitung 7a von der zweiten Druckübertragungsleitung 7b zu trennen, ist eine optionale axiale Schweißung 16 vorgesehen, welche den Gehäuseadapter 10 mit dem Prozessadapter 3 verbindet. Die axiale Schweißung 16 führt quer durch einen Endabschnitt 17 des zweiten Druckübertragungsleitung 7b, ohne die zweite Druckübertragungsleitung 7b zu verschließen. Die axiale Schweißung 16 ist dabei zwischen dem Basiskörper 11 und einem optionalen Durchführungselement 18 angeordnet. Das Durchführungselement 18 ist elektrisch isolierend ausgestaltet und sorgt für eine elektrische Kontaktierung des Drucksensor 9. Im Bereich des Durchführungselements 18 ist beispielsweise eine (nicht gezeigte) Elektronikeinheit angeordnet. Zusätzlich kann ein Ausrichtungselement 19 vorgesehen sein, welches dazu ausgestaltet ist, eine vorgegebene Ausrichtung des Durchführungselements 18 relativ zum Basiskörper 11 einzustellen.
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In 2 ist eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Relativdruckmessaufnehmers 1 gezeigt, welcher ein optionales feuchteadsorbierendes Material 14 in oder an einem Abschnitt des Basiskörpers 11 aufweist. Im Fall von 2 ist das feuchteadsorbierende Material 14 an bzw. benachbart zu einem Abschnitt bzw. einem Endabschnitt des Basiskörpers 11 angeordnet. Das feuchteadsorbierende Material 14 kann auch in dem Basiskörper 11 angeordnet sein. Die zweite Druckübertragungsleitung 7b führt zumindest abschnittsweise am feuchteadsorbierendes Material 14 vorbei.
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Im Beispiel der 2 ist das feuchteadsorbierende Material in Form eines Rings ausgestaltet. Das feuchteadsorbierende Material ist beispielsweise in einem dem Drucksensor 9 zugewandten Endabschnitt 17 der zweiten Druckübertragungsleitung 7b angeordnet. Ist das feuchteadsorbierende Material 14 in der Nähe des Eingangsbereichs der zweiten Druckübertragungsleitung 7b angeordnet, also in einem der Umgebung benachbarten Bereich des zweiten Druckübertragungsleitung 7b, kann das feuchteadsorbierende Material 14 unter Umständen schnell mit Feuchtigkeit gesättigt sein, da es der Umgebungsluft permanent Feuchtigkeit entzieht. Ist das feuchteadsorbierende Material in einem Abschnitt der zweiten Druckübertragungsleitung 7b angeordnet, in dem aufgrund der Länge und des Durchmessers der zweiten Druckübertragungsleitung 7b nur wenig Feuchtigkeit eindringt, wird das feuchteadsorbierende Material 14 erst sehr viel später gesättigt sein. Auf diese Weise kann die Wirkdauer des feuchteadsorbierenden Materials 14 deutlich verlängert werden. Das feuchteadsorbierende Material 14 ist beispielsweise ein Formkörper, welcher Zeolith und eine Polymermatrix umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Relativdruckmessaufnehmer
- 2
- Medium
- 3
- Prozessadapter
- 3a
- Außenwandung des Prozessadapters
- 4
- Grundkörper
- 5
- Endbereich des Grundkörpers
- 6
- Prozessmembran
- 7a
- erste Druckübertragungsleitung
- 7b
- zweite Druckübertragungsleitung
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Drucksensor
- 9a
- erste Fläche
- 9b
- zweite Fläche
- 10
- Gehäuseadapter
- 10a
- Außenwandung des Gehäuseadapters
- 11
- Basiskörper
- 13
- spiralförmige Leitung
- 14
- feuchteadsorbierendes Material
- 15
- radiale Schweißung
- 16
- axiale Schweißung
- 17
- Endabschnitt der zweiten Druckübertragungsleitung
- 18
- Durchführungselement
- 19
- Ausrichtungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010003709 A1 [0007]
- EP 3273215 A1 [0008]
