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Die Erfindung betrifft einen Kolbendruckmittler zur Übertragung eines Drucks eines Mediums an einen Druckmessaufnehmer und ein System umfassend einen Druckmessaufnehmer und einen Kolbendruckmittler.
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In der Druckmesstechnik sind Absolutdruck-, Differenzdruck- und Relativdruckmessaufnehmer bekannt. Absolutdruckmessaufnehmer bestimmen den vorherrschenden Druck eines Mediums absolut, d. h. in Bezug auf Vakuum, während Differenzmessaufnehmer die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken des Mediums oder der Medien bestimmen. Bei Relativdruckmessaufnehmern wird der zu messende Druck des Mediums gegenüber einem Referenzdruck bestimmt, wobei der in der Umgebung des Relativdruckmessaufnehmer vorherrschende Atmosphärendruck als Referenzdruck dient.
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Druckmessaufnehmer weisen ein druckempfindliches Messelement auf, den sogenannten Drucksensor, an dessen erster und zweiter Fläche jeweils ein Druck anliegt. Im Falle von Absolut- oder Relativdruckmessaufnehmern wirkt auf die erste Fläche des Drucksensors der zu bestimmende Druck des Mediums ein, während auf der zweiten Fläche ein Absolut- oder Referenzdruck einwirkt. Im Falle von Differenzdruckmessaufnehmern liegt an beiden Flächen jeweils ein erster Druck und ein zweiter Druck eines Mediums an. Das Messelement verbiegt sich in Abhängigkeit des vorliegenden Relativdrucks, welcher aus der Differenz zwischen den auf den beiden Flächen anliegenden Drücken 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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Die Trennung des Druckmessaufnehmers von dem Medium erfolgt mittels einer Trennmembran, welche dazu ausgestaltet ist, einen an der Trennmembran anliegenden Druck des Mediums an den Drucksensor zu übertragen. Dafür weist die, in der Regel scheibenförmige, Trennmembran nur eine geringe Dicke auf. Für abrasive Medien sind solche Trennmembranen wenig geeignet, da Stöße von Fremdkörpern, Partikeln u.ä. die Trennmembran verformen oder beschädigen können.
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Für abrasive Medien wird bevorzugt ein Kolbendruckmittler dem Druckmessaufnehmer vorgeschaltet, welcher einen beweglich gelagerten, robusten Kolben aufweist, welcher mittels zumindest eines Dichtelements vom Medium getrennt ist und welcher dazu ausgestaltet ist, einen Druck des Mediums an die Trennmembran des Druckmessaufnehmers zu übertragen. Im Falle eines Versagens oder einer Undichtigkeit des zumindest einen Dichtelements, wird der am Kolben anliegende Druck des Mediums jedoch nicht mehr zuverlässig an die Trennmembran des Druckmessaufnehmers übertragen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kolbendruckmittler bereitzustellen, bei welchem ein Ausfall des Kolbendruckmittlers überwacht wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolbendruckmittler nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 7.
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Hinsichtlich des Kolbendruckmittlers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolbendruckmittler zur Übertragung eines Drucks eines Mediums an einen Druckmessaufnehmer, mit
- - einem Grundkörper mit einer Ausnehmung und einer Bohrung, welche mit der Ausnehmung verbunden ist, wobei die Ausnehmung und die Bohrung mit einem Druckübertragungsmedium befüllbar sind,
- - einem Kolben, welcher in der Ausnehmung angeordnet und innerhalb eines vorgegebenen Bereichs in der Ausnehmung bewegbar ist, wobei eine dem Medium zugewandte Fläche des Kolbens mit dem Druck des Mediums beaufschlagbar ist, wobei der Kolben durch mindestens zwei Dichtelemente von dem Medium und dem Druckübertragungsmedium getrennt ist, wobei zwischen den mindestens zwei Dichtelementen ein Hohlraum im Kolben angeordnet ist,
- - einem Anschlussbereich für die Verbindung des Kolbendruckmittlers mit dem Druckmessaufnehmer, und mit
- - einer Überwachungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, ein Eintreten von Medium und/oder Druckübertragungsmedium in den Hohlraum zu bestimmen und/oder zu überwachen.
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Im Falle einer Undichtigkeit von mindestens einem der mindestens zwei Dichtelemente, tritt Medium und/oder Druckübertragungsmedium in den Hohlraum ein, was durch die Überwachungseinheit detektiert wird. Anschließend kann eine Information über die Undichtigkeit des Kolbendruckmittlers, beispielsweise an eine Benutzerschnittstelle, ausgegeben werden. Mindestens eines der mindestens zwei Dichtelemente dient zum Abdichten des Hohlraums gegenüber dem Medium und mindestens ein weiteres der mindestens zwei Dichtelemente dient zum Abdichten des Hohlraums gegenüber dem Druckübertragungsmedium. Der Hohlraum selbst ist beispielsweise mit Luft oder Gas gefüllt oder weist ein Vakuum auf.
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Die dem Medium zugewandte Fläche des Kolbens ist mit dem Druck des Mediums beaufschlagt, so dass bei einer relativen Erhöhung des Drucks des Mediums der Kolben in die Ausnehmung hinein und bei einer relativen Erniedrigung des Drucks des Mediums der Kolben in Richtung des Mediums innerhalb des vorgegebenen Bereichs bewegt wird. Die Bewegung oder Auslenkung des Kolbens innerhalb des vorgegebenen Bereichs entspricht einem definierten Druckbereich, welcher von dem Druckmessaufnehmer zu bestimmen und/oder zu überwachen ist. Eine Bewegung des Kolben über den vorgegebenen Bereich hinaus ist ein Hinweis auf einen Fehler des Kolbendruckmittlers, da bspw. mindestens eines der mindestens zwei Dichtelemente undicht ist.
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In einer Ausgestaltung weist die Überwachungseinheit einen Sensor und/oder einen elektrischen Schalter auf.
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Insbesondere ist der Sensor ein Leitwerts-, Feuchte- oder Grenzstandssensor.
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Der elektrische Schalter ist insbesondere als ein stromdurchflossener Leiter ausgestaltet, welcher mit einem im Medium und/oder im Druckübertragungsmedium löslichen Lack beschichtet ist. Im funktionstüchtigen Kolbendruckmittler fließt ein definierter Strom durch den Leiter. Sobald das Medium und/oder Druckübertragungsmedium in den Hohlraum eintritt, wird sich der Lack des Leiters auflösen, wodurch der durch den Leiter fließende Strom verkleinert wird, da ein Teil des Strom durch das Medium und/oder das Druckübertragungsmedium über den Grundkörper des Kolbendruckmittlers abfließt. Eine Abweichung des gemessenen Stroms vom definierten Strom zeigt somit eine Undichtigkeit des Kolbendruckmittlers an.
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Bevorzugterweise ist eine verschließbare Befüllbohrung zum Befüllen des Kolbendruckmittlers mit Druckübertragungsmedium im Grundkörper angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist der Hohlraum parallel zu den mindestens zwei Dichtelementen angeordnet und/oder ringförmig ausgestaltet. Der Hohlraum ist beispielsweise ein ringförmiger, insbesondere den Kolben umlaufender, Hohlraum.
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Hinsichtlich des Systems wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein System umfassend einen Druckmessaufnehmer und einen Kolbendruckmittler, wobei der Druckmessaufnehmer eine Trennmembran, einen Drucksensor und einen Verbindungsbereich aufweist, wobei der Kolbendruckmittler ausgestaltet ist mit
- - einem Grundkörper mit einer Ausnehmung und einer Bohrung, welche mit der Ausnehmung verbunden ist, wobei die Ausnehmung und die Bohrung mit einem Druckübertragungsmedium befüllt sind,
- - einem Kolben, welcher in der Ausnehmung angeordnet und innerhalb eines vorgegebenen Bereichs in der Ausnehmung bewegbar ist, wobei eine dem Medium zugewandte Fläche des Kolbens mit dem Druck des Mediums beaufschlagbar ist, wobei der Kolben durch mindestens zwei Dichtelemente von dem Medium und dem Druckübertragungsmedium getrennt ist, wobei zwischen den mindestens zwei Dichtelementen ein Hohlraum im Kolben angeordnet ist,
- - einem Anschlussbereich für die Verbindung des Kolbendruckmittlers mit dem Druckmessaufnehmer, und mit
- - einer Überwachungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, ein Eintreten von Medium und/oder Druckübertragungsmedium in den Hohlraum zu bestimmen und/oder überwachen,
wobei der Kolbendruckmittler und der Druckmessaufnehmer im Anschlussbereich und im Verbindungsbereich miteinander verbunden sind, derart dass die Bohrung im Bereich der Trennmembran mündet, wobei das Druckübertragungsmedium dazu ausgestaltet ist, den Druck des Mediums von dem Kolben auf die Trennmembran zu übertragen, wobei der Drucksensor zumindest mittels der Trennmembran mit dem Druck des Mediums beaufschlagbar ist.
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Im erfindungsgemäßen System wird mittels der Überwachungseinheit erkannt, ob eine Undichtigkeit mindestens eines der mindestens zwei Dichtelemente vorliegt. Tritt eine solche Undichtigkeit auf, ist eine zuverlässige Übertragung des Drucks des Mediums über den Kolbendruckmittler an den Druckmessaufnehmer nicht mehr gewährleistet und es kann eine Information über die Undichtigkeit oder eine Warnung ausgegeben werden.
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Die oben aufgeführten Ausgestaltungen für den erfindungsgemäßen Kolbendruckmittlers gelten mutatis mutandis ebenso für das erfindungsgemäße System.
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Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren 1-2 näher erläutert. Sie zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kolbendruckm ittlers.
- 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolbendruckmittler 1 zur Übertragung eines Drucks eines Mediums 2 an einen Druckmessaufnehmer 3 gezeigt. In einem Grundkörper 4 des Kolbendruckmittlers 1 sind eine Ausnehmung 5, eine Bohrung 6 und eine optionale Befüllbohrung 14 angeordnet. Die optionale Befüllbohrung 14 dient zum Befüllen des Kolbendruckmittlers 1, insbesondere der Ausnehmung 5 und der Bohrung 6, mit einem Druckübertragungsmedium 7. Da die Bohrung 6 erst in dem erfindungsgemäßen System 15 durch die Verbindung mit dem Druckmessaufnehmer 3 verschlossen wird, wird der Kolbendruckmittler 1 erst nach der Verbindung mit dem Druckmessaufnehmer 3 befüllt. Die Bohrung 6 kann verschiedene Formen annehmen: in 1 ist die Bohrung als eine gerade, schmale Bohrung ausgestaltet, welche sich in Richtung des Druckmessaufnehmers 3 verbreitert. Beliebige weitere, hier nicht gezeigte, Ausgestaltungen der Bohrung 6 sind ebenfalls denkbar. Die Bohrung 6 ist stets mit der Ausnehmung 5 verbunden.
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In der Ausnehmung 5 ist ein Kolben 8 angeordnet, welcher in der Ausnehmung 5 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs 9 bewegbar ist. Eine dem Medium 2 zugewandte Fläche 8a des Kolbens 8 ist mit dem Druck des Mediums 2 beaufschlagbar. Je nach dem Druck des Mediums 2 wird sich der Kolben 8 innerhalb des vorgegebenen Bereichs 9 bewegen und mithilfe des Druckübertragungsmediums 7 den Druck des Mediums an den Druckmessaufnehmer 3 übertragen. Der Kolben 8 weist weiterhin einen Hohlraum 11 auf, welcher zwischen mindestens zwei Dichtelementen 10 angeordnet ist. Die mindestens zwei Dichtelemente 10 dichten den Kolben 8 von dem Medium 2 und/oder dem Druckübertragungsmedium 7 ab, so dass der Hohlraum 11 frei von Medium 2 und Druckübertragungsmedium 7 ist. Der Hohlraum 11 ist insbesondere parallel zu den mindestens zwei Dichtelementen 10 angeordnet und/oder ringförmig ausgestaltet.
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Eine Undichtigkeit mindestens eines der mindestens zwei Dichtelemente 10 führt zu einem Eindringen von Medium 2 und/oder Druckübertragungsmedium 7 in den Hohlraum 11, was durch eine entsprechend ausgestaltete Überwachungseinheit 13 bestimmt und/oder überwacht wird. Beispielsweise weist die Überwachungseinheit 13 einen Sensor, insbesondere einen Leitwerts-, Feuchte- oder Grenzstandssensor, und/oder einen elektrischen Schalter auf. Der elektrische Schalter kann als ein stromdurchflossener Leiter ausgestaltet sein, welcher mit einem im Medium 2 und/oder im Druckübertragungsmedium 7 löslichen Lack beschichtet ist. Die Überwachungseinheit 13 ist insbesondere zumindest teilweise im Bereich des Hohlraums 11 angeordnet. Tritt Medium 2 und/oder Druckübertragungsmedium 7 in den Hohlraum 11 ein, so kann die Überwachungseinheit dazu ausgestaltet sein, eine Information über das Eindringen des Mediums 2 und/oder des Druckübertragungsmediums 7 an eine übergeordnete Einheit, eine Anzeigeeinheit, insbesondere des Druckmessaufnehmers, und/oder eine Benutzerschnittstelle zu übertragen.
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Das erfindungsgemäße System 15, umfassend einen Druckmessaufnehmer 3 und einen Kolbendruckmittler 1, ist in 2 schematisch dargestellt. Der Druckmessaufnehmer 3 weist eine Trennmembran 16, einen Drucksensor 17 und einen Verbindungsbereich 18 auf. Der Kolbendruckmittler 1 und der Druckmessaufnehmer 3 sind im Anschlussbereich 12 und dem Verbindungsbereich 18 miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Schweißung oder eines Flansches. Die Verbindung zwischen den Kolbendruckmittler 1 und dem Druckmessaufnehmer erfolgt derart, dass die Bohrung 6 des Kolbendruckmittlers 1 im Bereich der Trennmembran 16 mündet, um den Druck des Mediums 2 über den Kolbendruckmittler 1 an die Trennmembran 16 übertragen zu können. Die druckempfindliche Trennmembran 16 trennt somit das Druckübertragungsmedium 7 des Kolbendruckmittlers 1 von einem Innenraum des Druckmessaufnehmers ab.
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Das Druckübertragungsmedium 7 ist dazu ausgestaltet, den Druck des Mediums 2 von dem Kolben 8 auf die Trennmembran 16 zu übertragen, wobei der Drucksensor 17 zumindest mittels der Trennmembran 16 mit dem Druck des Mediums 2 beaufschlagbar ist. Der Drucksensor 17 kann an oder auf der Trennmembran 16 oder beabstandet von dieser angeordnet sein. In letzterem Fall ist auch innerhalb des Druckmessaufnehmers 3 ein Druckübertragungsmedium nötig, welches den Druck des Medium 2 von der Trennmembran 16 an den Drucksensor 17 überträgt und diesen mit dem Druck des Mediums 2 beaufschlagt, wobei eine Kapillare 20 zum Einsatz kommen kann. Die Trennmembran 16 weist in der Regel ein ihr zugehöriges Membranbett 21 auf. Die Bohrung 6 ist beispielsweise in einem der Trennmembran 16 zugewandten Endbereich so ausgestaltet, dass das Druckübertragungsmedium 7 flächig auf die Trennmembran 16 trifft, insbesondere so dass das Druckübertragungsmedium 7 die Trennmembran 16 vollständig bedeckt. Der Druck des Mediums 2 wird über die dem Medium 2 zugewandte Fläche des Kolbens 8, dem Kolben 8 und dem Druckübertragungsmedium 7 an die Trennmembran 16 übertragen, so dass die Trennmembran 16 mit dem Druck des Mediums 2 beaufschlagt ist.
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Im in 2 gezeigten Beispiel ist der Druckmessaufnehmer 3 als Absolutdruckmessaufnehmer ausgestaltet, welcher den Druck des Mediums 2 gegenüber einem Absolutdruck, bspw. einem Vakuum, bestimmt. Alternativ kann der Druckmessaufnehmer als Relativ- oder Differenzdruckmessaufnehmer ausgestaltet sein, wobei im Falle des Differenzdruckmessaufnehmers ggf. zwei Kolbendruckmittler eingesetzt werden können.
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Die Ausgestaltungen des Kolbendruckmittlers 1 mit der Ausnehmung 5, der Bohrung 6, der optionalen Befüllbohrung 14, dem Kolben 8 sowie dem Hohlraum 11 sind analog zu dem des in der 1 gezeigten Kolbendruckmittlers 1, mit dem Unterschied, dass der Kolbendruckmittler 1 in dem System 15 mit dem Druckübertragungsmedium 7 befüllt ist. Nach der Befüllung muss die optionale Befüllbohrung 14 verschlossen werden, beispielsweise mithilfe eines Stopfens 19.
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Im Beispiel der 2 ist der Kolben 8 an einem unteren Endbereich des vorgegebenen Bereichs 9 angeordnet, welches beispielsweise einem unteren Ende eines definierten, von dem Druckmessaufnehmer zu überwachenden, Druckbereichs entspricht. Der Kolbendruckmittler 1 ist derart ausgestaltet, dass sich der Kolben 8 im funktionstüchtigen Kolbendruckmittler 1 nur innerhalb des vorgegebenen Bereichs 9 bewegt. Nur im Falle einer Undichtigkeit oder sonstigen Beschädigung des Kolbendruckmittlers 1 wird sich der Kolben 8 aus dem vorgegebenen Bereich 9 herausbewegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolbendruckmittler
- 2
- Medium
- 3
- Druckmessaufnehmer
- 4
- Grundkörper g
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Bohrung
- 7
- Druckübertragungsmedium
- 8
- Kolben
- 8a
- dem Medium zugewandte Fläche des Kolbens
- 9
- vorgegebener Bereich
- 10
- Dichtelemente
- 11
- Hohlraum
- 12
- Anschlussbereich
- 13
- Überwachungseinheit
- 14
- Befüllbohrung
- 15
- System
- 16
- Trennmembran
- 17
- Drucksensor
- 18
- Verbindungsbereich
- 19
- Stopfen
- 20
- Kapillare
- 21
- Membranbett
