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Stand der Technik
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Füllstandsmesseinheiten ermöglichen eine automatische Kontrolle von Füllständen in der Verfahrenstechnik. Dabei umfassen Füllstandsmesseinheiten typischerweise Anschlussstücke, mit denen sie in Öffnungen der jeweiligen Behältnisse, in denen sich die Substanz befindet, deren Füllstand bestimmt werden soll, eingesetzt und befestigt werden. Eine Möglichkeit, den Füllstand eines Füllguts in einem Behältnis zu bestimmen, ist die Bestimmung des vom Füllgut erzeugten hydrostatischen Drucks. Zur Bestimmung des Drucks können Füllstandsmesseinheiten Drucksensoren mit einer Membran aus Keramik aufweisen, die insbesondere dann eingesetzt werden können, wenn das Füllgut korrosiv und/oder abrasiv ist. Hierbei kann der hydrostatische Druck des Füllgutes oder der Prozessdruck im Behältnis ein Biegen oder Verformen der Keramikmembran bewirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Abdichtung solcher Füllstandsmesseinheit mit keramischer Membran zum metallischen Anschlussstück kann, aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten, eine Verwendung von Elastomeren notwendig machen, die aber weniger beständig gegenüber korrosivem oder abrasivem Füllgut sein können. Dadurch kann entsprechendes Füllgut einen Aufbau einer Messzelle für die Druckmessung schädigen. Weiterhin kann das Füllgut eine Verbindung zwischen der Membran und einem Grundkörper schädigen. Insbesondere kann diese Verbindung mittels einer Glasnaht realisiert werden.
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Gemäß Aspekten der Erfindung wird eine Messzelle, eine Füllstandsmesseinheit und eine Verwendung einer Füllstandsmesseinheit gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung sind einige Merkmale mit Zählwörtern versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern oder die Zuordnung eindeutiger zu machen, dies impliziert aber nicht ein Vorhandensein bestimmter Merkmale.
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Gemäß Aspekten der Erfindung wird eine Messzelle für einen Drucksensor mit einem Grundkörper und einer Membran offenbart. Der Grundkörper weist an einer Stirnseite des Grundkörpers ein erstes Detektorelement auf. Die Membran ist, mittels eines Abstandshalters, in einem Abstand von der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet. Dabei ist die Membran mittels eines zweiten Detektorelements eingerichtet, mit dem ersten Detektorelement zusammenzuwirken, um einen Druck zu bestimmen. Weiterhin weist die Membran in einem Randbereich der Membran einen umlaufenden Steg auf, der angeordnet und/oder eingerichtet ist, den Abstandshalter zumindest teilweise zu umschließen, um insbesondere den Abstandshalter vor äußeren Einflüssen zu schützen.
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Die Membran kann mit dem umlaufenden Steg ein Werkstück bilden, der somit einer ebenen Membran mit einem aufgesetzten Ring entsprechen kann. Mit anderen Worten kann eine Form des beschriebenen Werkstücks einem Topf entsprechen. Der Grundkörper und die Membran können jeweils rotationssymmetrisch, insbesondere entsprechende einem Zylinder geformt sein. Der Steg kann den Abstandshalter im Sinne eines Umfassens und/oder eines Umschließens und/oder eines Einschließens und/oder eines Umsäumens und/oder eines Umrahmens und/oder eines Umgreifens und/oder eines Umspannens umschließen, um den Abstandshalter vor äußeren Einflüssen zu schützen.
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Der Steg, der entsprechende einem Hohlzylinder geformt sein kann, kann mit der Innenfläche des Hohlzylinders parallel zu einer Außenfläche des Grundkörpers angeordnet sein.
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Dadurch, dass die Membran zusammen mit dem umlaufenden Steg einen Kragen bilden kann, kann der Abstandshalter vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Der Abstandshalter kann eingerichtet sein, einen Hohlraum zwischen der Membran und dem Grundkörper, der mittels des Abstandshalter gebildet wird, gegen äußere Einflüsse abzudichten. Dazu kann der Abstandshalter an einem Rand der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet sein. Der Abstandshalter kann in Form einer Glasdichtung und/oder Glasnaht ausgebildet sein. Der Abstandshalter kann somit auch eine mechanische Kopplung, bzw. eine Verbindung, zwischen der Membran und dem Grundkörper bereitstellen.
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Die Membran kann eingerichtet sein, insbesondere zum Bestimmen eines Drucks, senkrecht zu ihrer Oberfläche gebogen zu werden. Dadurch kann ein Abstand zwischen der Membran und dem Grundkörper über die Fläche der Membran variieren und abhängig vom Druck sein, der auf die Membran einwirkt.
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Die Membran kann an einer Seite der Membran, die in einem montierten Zustand der Messzelle dem Grundkörper zugewandt angeordnet ist, das zweite Detektorelement aufweisen. Dabei kann das zweite Detektorelement von dem umlaufenden Steg umschlossen sein.
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Das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement können eingerichtet sein so zusammenzuwirken, dass sie einen Messaufnehmer für einen Drucksensor bilden.
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Vorteilhafterweise kann durch diese Messzelle eine Verbindung zwischen der Membran und dem Grundkörper, die insbesondere als Abstandshalter in Form einer Glasnaht ausgebildet sein kann, geschützt werden. Denn insbesondere eine Glasnaht kann anfällig gegenüber bestimmten aggressiven Medien sein.
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Damit kann ein Dichtungskonzept der Messzelle optimiert werden und es kann eine Dichtung, wie beispielsweise ein zusätzlicher O-Ring, zum Schutz der Glasnaht obsolet werden, da das Medium nicht direkt mit dieser Verbindung in Berührung kommt.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Material der Membran und ein Material des umlaufenden Stegs identisch sind. Insbesondere kann die Membran mit dem umlaufenden Steg einteilig ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Membran mit dem umlaufenden Steg einteilig gefertigt sein. Beispielsweise kann die Membran mit dem umlaufenden Steg einteilig aus einem einzelnen Keramik-Grünling gefertigt sein.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Material der Membran und des umlaufenden Stegs eine technische Keramik aufweist.
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Insbesondere können das Material der Membran und das Material des umlaufenden Stegs aus der technische Keramik bestehen. Das bedeutet, dass die Membran und der umlaufende Steg ausschließlich aus der technische Keramik gefertigt sind.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die technische Keramik, eine Keramik ist, die resistent gegen Abrasion und Korrosion ist. Dabei kann die technische Keramik insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) sein, denn insbesondere ist eine Aluminiumoxidkeramik resistent gegen Abrasion und Korrosion.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass eine Dicke der Membran verschieden von einer Wandstärke des umlaufenden Stegs ist.
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Dabei kann die Membran insbesondere durch äußere Abmessungen, wie beispielsweise ein Durchmesser und eine Dicke bzw. eine Materialstärke der Membran beschrieben werden. Die Wandstärke des umlaufenden Stegs kann durch eine Wandstärke eines Hohlzylinders beschrieben werden, mit dem der umlaufende Steg beschrieben werden kann. Insbesondere kann der umlaufende Steg geschlossen sein, um den Abstandshalter vollständig zu umschließen und den Abstandshalter vor äußeren Einflüssen zu schützen.
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Vorteilhafterweise kann die Wandstärke des umlaufenden Stegs so groß sein, dass die Einheit aus Membran und umlaufenden Steg stabil genug ist, um mit einer elastischen Dichtung abgedichtet zu werden und/oder ausreichend stabil bei der Fertigung der Messzelle ist, auch wenn die Membran selbst besonders dünn ist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der umlaufende Steg zumindest teilweise den Grundkörper umschließt. Mit anderen Worten kann der umlaufende Steg den Grundkörper geschlossen bis zu einer gewissen Längenausdehnung des Grundkörpers senkrecht zur Stirnseite des Grundkörpers umschließen. D.h. der Steg kann eine Breite aufweisen, die kleiner ist als eine Ausdehnung des Grundkörpers senkrecht zu der Stirnseite des Grundkörpers.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper an seiner Stirnseite einen umlaufenden Absatz aufweist, der zumindest teilweise von dem umlaufenden Steg umschlossen wird. Dieser Absatz kann so in den Grundkörper eingebracht sein, dass im Bereich des Absatzes der Grundkörper zumindest in eine Richtung eine geringere Ausdehnung hat. Insbesondere kann der umlaufende Steg, zumindest teilweise, in einer Aussparung des Grundkörpers, die durch den Absatz entsteht, angeordnet sein, insbesondere damit die Messzelle an einer Stirnfläche der Messzelle eine geringere Ausdehnung haben kann.
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Vorteilhafterweise kann dadurch der Abstandshalter geschützt werden, ohne dass eine Ausdehnung der Messzelle parallel zu einer Oberfläche der Membran größer wird, obwohl die Membran den umlaufenden Steg aufweist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Material des Abstandshalters Glas aufweist. Dabei kann der Abstandshalter als sogenannte Glasnaht mittels eines Glaslots gefertigt sein.
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Da eine sogenannte Glasnaht empfindlich gegenüber abrasiven oder korrosiven Stoffen oder Materialien ist, wird eine solche Glasnaht durch den umlaufenden Steg besonders geschützt.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das erste Detektorelement eine erste metallische Elektrode ist und das zweite Detektorelement eine zweite metallische Elektrode ist. Dabei kann insbesondere die erste metallische Elektrode und die zweite metallische Elektrode angeordnet und eingerichtet sein, kapazitiv miteinander zu wechselwirken, um basierend auf einer elastischen Verformung der Membran den Druck zu bestimmen. Dabei kann das zweite Detektorelement in Form einer zweiten metallischen Elektrode so angeordnet und eingerichtet sein, dass eine Veränderung des Abstands der Membran vom Grundkörper bedingt, dass ein Abstand der zweiten metallischen Elektrode von der ersten metallischen Elektrode entsprechend geändert wird, um die Kapazität zwischen den beiden metallischen Elektroden zu verändern, sodass, basierend auf der Veränderung der Kapazität, ein Druck bestimmt werden kann, der auf der Membran lastet. Dabei kann die Elektrode auf der Seite der Membran angeordnet sein, die der Stirnseite des Grundkörpers gegenübersteht.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das erste Detektorelement ein Piezoelement und/oder einen Dehnmeßstreifen aufweist. Dabei kann das zweite Detektorelement eingerichtet sein, mit dem Piezoelement und/oder dem Dehnmeßstreifen zu wechselwirken, um basierend auf einer elastischen Verformung der Membran den Druck zu bestimmen. Insbesondere kann die Membran mit einem Koppelelement, das insbesondere mechanisch mit dem Piezoelement und/oder den Dehnmeßstreifen gekoppelt ist, eingerichtet sein, mit dem Piezoelement und/oder dem Dehnmeßstreifen zu wechselwirken.
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Es wird eine Füllstandsmesseinheit mit einer Messzelle, wie sie oben beschrieben ist, und einem Anschlussstück, zum Anschließen der Füllstandsmesseinheit an ein Behältnis, vorgeschlagen. Dabei kann die Messzelle in einer Öffnung des Anschlussstücks angeordnet sein und die Messzelle kann mittels eines elastischen Elementes, das insbesondere in einem Zwischenraum der Öffnung des Anschlussstücks und einer äußeren Oberfläche des Stegs angeordnet ist, in der Öffnung des Anschlussstücks abgedichtet sein.
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D. h. die Messzelle kann gegenüber dem Anschlussstück durch eine elastische Dichtung abgedichtet sein.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Messzelle bündig mit einer Stirnseite des Anschlussstücks angeordnet sein. Dabei kann das Anschlussstück ein sogenannter Prozessanschluss sein.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass bei der oben beschriebenen Füllstandsmesseinheit eine Membran der Messzelle in Bezug auf eine Stirnseite des Anschlussstücks bündig angeordnet ist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Steg der Membran in einer Nut des Anschlussstücks angeordnet ist und die Messzelle mittels eines elastischen Elements in der Nut des Anschlussstücks abgedichtet ist.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das elastische Element für die Abdichtung der Messzelle im Anschlussstück der Füllstandsmesseinheit ein O-Ring und/oder eine PTFE-Dichtung aufweist.
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Es wird eine Verwendung einer der oben beschriebenen Messzellen zum Bestimmen eines hydrostatischen Drucks in einem Behälter vorgeschlagen.
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Insbesondere durch den umlaufenden Steg kann eine solche Messzelle auch für eine Bestimmung des Drucks eingesetzt werden, wenn ein Medium in dem Behälter korrosiv oder abrasiv ist.
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Es sei noch angemerkt, dass die verschiedenen oben und/oder nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die 1 bis 3 dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Skizze eines Querschnitts einer Messzelle und einem Anschlussstück;
- 2 Skizze eines Querschnitts einer weiteren Messzelle mit einem weiteren Anschlussstück; und
- 3 Skizze eines Querschnitts noch einer weiteren Messzelle.
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Die 1 skizziert schematisch einen Querschnitt einer Messzelle 100 für einen Drucksensor mit einem Grundkörper 130 und einer Membran 120.
Der Grundkörper 130 weist an einer Stirnseite des Grundkörpers ein erstes Detektorelement 122, wie beispielsweise einer ersten metallischen Elektrode, auf. Die Membran 120 ist, mittels eines Abstandshalters 160, in einem Abstand von der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet. Dabei weist die Membran 120 in einem Randbereich der Membran einen umlaufenden Steg 140 auf.
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Die Einheit aus Membran 120 und umlaufenden Steg 140 kann mittels des Abstandshalters 160 in einem Abstand, der der Dicke des Abstandshalter 160 entspricht, von der Stirnseite des Grundkörpers 130 entfernt angeordnet werden. Insbesondere kann der Abstandshalter mittels eines Glasslots als sogenannte Glasnaht die Einheit aus Membran 120 und umlaufenden Steg 140 mit der Stirnseite des Grundkörpers verbinden und abdichten.
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Die Membran 120 ist mittels eines zweiten Detektorelements 124, wie beispielsweise einer zweiten metallischen Elektrode, eingerichtet, mit dem ersten Detektorelement 122 zusammenzuwirken, um einen Druck zu bestimmen.
Die Membran 120 ist dazu eingerichtet, bei einem Druck, der auf die Membran 120 wirkt, sich elastisch zu verformen, sodass ein Abstand zwischen der Membran 120 und dem Grundkörper 130, abhängig vom einwirkenden Druck, verändert wird. Abhängig von dem genannten Abstand kann eine Kapazität zwischen der ersten metallischen Elektrode 122 und der zweiten metallischen Elektrode 124 verändert und gemessen werden, um den Druck zu bestimmen.
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Der umlaufende Steg 140 der Membran 120 ist angeordnet und/oder eingerichtet, den Abstandshalter 160, insbesondere zusammen mit der Membran 120, zumindest teilweise zu umschließen, um insbesondere den Abstandshalter 160 vor äußeren Einflüssen zu schützen. In der 1 ist zu erkennen, dass der umlaufende Steg 140 zusätzlich zumindest teilweise den Grundkörper 130 umschließt.
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Eine Dicke der Membran 120 kann verschieden von einer Wandstärke des umlaufenden Stegs 140 sein, um eine Einheit aus Membran 120 und umlaufendem Steg 140 zu stabilisieren, auch wenn die Membran 120 sehr dünn ist.
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Dabei kann die Membran 120 mit dem umlaufenden Steg 140 einteilig ausgestaltet sein. Das Material der Membran 120 und des umlaufenden Stegs 140 kann aus einer technische Keramik bestehen. Insbesondere kann die technische Keramik eine Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) sein.
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Die Messzelle 100 ist in der 1 in einem Anschlussstück 180, zum Anschließen einer Füllstandsmesseinheit an einem Behältnis, angeordnet und mittels eines elastischen Elementes 170, das insbesondere in einem Zwischenraum der Öffnung des Anschlussstücks 180 und einer äußeren Oberfläche des Stegs angeordnet ist, in der Öffnung des Anschlussstücks abgedichtet.
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Die 2 skizziert einen Querschnitt durch einen Drucksensor 100 der im Wesentlichen dem Drucksensor in der 1 entspricht. Im Unterschied zu der 1 weist das Anschlussstück 180 in der 2 eine Nut 182 auf und die Membran 120 ist so vergrößert, dass der Steg 140 der Membran 120 in der Nut 182 des Anschlussstücks angeordnet ist und die Messzelle 100 mittels eines elastischen Elements 170 in der Nut 182 des Anschlussstücks 180 abgedichtet ist.
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Die 3 skizziert einen Querschnitt durch einen Drucksensor 100 der im wesentlichen dem Drucksensor in der 1 entspricht. Im Unterschied zu der 1 weist der Grundkörper 130 an seiner Stirnseite einen umlaufenden Absatz 132 auf, der zumindest teilweise von dem umlaufenden Steg 140 umschlossen wird, wobei der umlaufende Steg 140 zumindest teilweise in eine Aussparung, die durch den Absatz entsteht angeordnet ist.
Die Abdichtung der Messzelle 100 erfolgt bei dieser Ausführungsform der Erfindung mittels eines elastischen Elements 170 gegenüber dem Anschlussstück 180 wie in der 1 dargestellt und erläutert ist.
