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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befüllen von hydraulischen Druck-
und Differenzdruckmeßwerken,
bzw. anderer zu befüllender
Hohlkörper
mit sehr engen Hohlräumen.
Die Messwerke von Absolutdruck, Relativdruck- und Differenzdruck
mit hydraulischer Druckübertragung
weisen zur Minimierung des erforderlichen Flüssigkeitsvolumens sehr enge
Kanäle auf.
Dies erfordert jedoch eine Befüllung
der Messwerke unter Vakuum. Für
Standardanwendungen werden gewöhnlich
Silikonöle
mit einem geringen Dampfdruck zur Befüllung eingesetzt, so dass problemlos
mit einem hohen Vakuum gearbeitet werden kann.
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Messwerke für Drucksensoren, die für den Einsatz
in Sauerstoffanlagen bestimmt sind, dürfen nur mit Füllflüssigkeiten
befüllt
werden, die eine spezielle Zulassung – in Deutschland von der Bundesanstalt
für Materialprüfung BAM – besitzen
und in einer speziellen Liste nach Unfallverhütungsvorschrift „Sauerstoff" BVG B7 (VBG 62)
der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie erfasst worden
sind. Solche zugelassenen Flüssigkeiten
sind beispielsweise Polychlortrifluorätylene, die unter dem Handelsnamen
Halocarbon, Voltalef oder Fluorolube von verschiedenen Herstellern
angeboten werden. Die im erforderlichen Temperatureinsatzbereich
ab –20 °C einsetzbaren
O2-Öle
umfassen ein Gemisch aus Molekülen
unterschiedlicher Moleküllänge, wobei
der Partialdruck der kurzkettigen Moleküle im Bereich 10-1 Torr liegt.
Werden diese Füllöle unter
herkömmlichem
Vakuum, beispielsweise < 10–2 Torr,
eingesetzt, so verdampfen die kurzkettigen Bestandteile, was dazu
führt,
dass sich die Zusammensetzung in einem solchen Maße ändern kann,
dass die Füllöle nicht
mehr den Spezifikationen der Sauerstoffzulassung genügt. Zudem
erhöht
sich die Viskosität,
wodurch einerseits das Füllverhalten
beeinträchtigt wird,
und andererseits die untere Grenze des Temperatureinsatzbereiches
angehoben wird. Insoweit betrifft das Problem nicht nur die Füllöle für den Einsatz in
Sauerstoffanlagen sondern in gewisser Weise sämtliche Füllöle die ein Gemisch von Molekülen mit unterschiedlichen
Molmassen aufweisen.
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Der Effekt des Verdampfens leichterer
Komponenten ist beispielsweise anhand eines Massenspektrums nachweisbar,
wie es in 2 exemplarisch
wiedergegeben ist. Die durchgezogene Linie zeigt das Massenspektrum
des ursprünglichen
Füllöls, während die
unterbrochene Linie das Spektrum des Füllöls zeigt, nachdem es unter
zu geringem Druck gehalten wurde.
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Es ist daher erforderliche den Druck
in der Abfüllanlage
so einzustellen, dass ein übermäßiges Ausgasen
der Füllöle vermieden
wird. Hierzu war es bisher üblich,
die Pumpe zur Evakuierung einer Abfüllkammer weiterhin mit voller
Leistung laufen zu lassen, und den Druck in der Abfüllkammer über ein
definiertes Leck, beispielsweise ein Nadelventil, einzustellen.
Dieses Verfahren ist insoweit nachteilig, als durch das Leck ständig Umgebungsluft
in die Abfüllkammer
eindringt, welche die Oberflächen
der Abfüllkammer
und die Füllflüssigkeit
z.B. durch Luftfeuchtigkeit kontaminiert. Hierdurch können die
Eigenschaften der Füllflüssigkeit
beeinträchtigt
werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, welche diese
Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
1 und die Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
5 und das Messwerk gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
8.
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Weitere Vorteile und Gesichtspunkte
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Befüllen von
hydraulischen Druckmesswerken mittels einer Abfüllkammer umfasst die folgenden
Schritte:
- (I) Evakuieren der Abfüllkammer
mittels einer Vakuumpumpe über
einen ersten Pfad mit einer ersten Leitfähigkeit, der sich zwischen
der Vakuumkammer und der Vakuumpumpe erstreckt;
- (II) Beenden des Evakuieren der Abfüllkammer über den ersten Pfad;
- (III) fortgesetztes Evakuieren der Abfüllkammer mittels der Pumpe über einen
zweiten Pfad mit einer zweiten Leitfähigkeit der sich zwischen der Abfüllkammer
und der Vakuumpumpe erstreckt, wobei die zweite Leitfähigkeit
kleiner ist als die erste Leitfähigkeit;
- (IV) Zuführen
des Füllöls in die
evakuierte Abfüllkammer
und
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Bevorzugt ist die zweite Leitfähigkeit
mindestens um einen Faktor 10, besonders bevorzugt mindestens um
einen Faktor 100 kleiner als die Leitfähigkeit.
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Der zweite Pfad ist vorzugsweise
so bemessen, daß sich
ein Gleichgewichtsdruck zwischen etwa 0,5 Torr und 1 Torr in der
Abfüllkammer
einstellt.
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Der erste Pfad ist vorzugsweise so
bemessen, dass seine Leitfähigkeit
ausreicht, die Abfüllkammer
in verhältnismäßig kurzer
Zeit soweit zu evakuieren, wie es für die Befüllung der Messwerke erforderlich
ist, beispielsweise ein Druck von 0,5 Torr. Dies entspricht jedoch
bei weitem nicht dem Gleichgewichtsdruck, der sich einstellen würde, wenn
die Abfüllkammer
weiterhin über
den ersten Pfad evakuiert würde.
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Der zweite ist Pfad ist vorzugsweise
parallel zum ersten Pfad angeordnet. Für diesen Fall ist im ersten
Pfad vorzugsweise ein Absperrventil angeordnet, mit dem der erste
Pfad unterbrochen werden kann, wenn der erforderliche Druck erreicht
worden ist.
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Alternativ dazu kann der zweite Pfad
nicht parallel zum ersten Pfad angeordnet sein, sondern durch eine
Modifikation des ersten Pfades gebildet werden. Hierzu kann beispielsweise
eine Blende in den ersten Pfad eingeschwenkt werden.
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Die exakte Leitfähigkeit des ersten Pfades ist insoweit
unkritisch, als dass sie lediglich groß genug sein muss um ein hinreichend
schnelles Abpumpen der Abfüllkammer
zu gewährleisten.
Der kritische Parameter ist die Leitfähigkeit des zweiten Pfades,
da hierüber
bei gegebener Saugleistung Vakuumpumpe und gegebenen „natürlichen
Lecks" der Abfüllkammer
der Gleichgewichtsdruck folgt. Unter natürlichen Lecks sind hier alle
ungrößeren Aufwand
unvermeidbaren Gasquellen zusammengefasst. Hierzu gehören Ausgasvorgänge in den
inneren Oberflächen
der Anordnung sowie der Zustrom von Gasen durch kleine Undichtigkeiten
an Flanschen und anderen Bauteilen.
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Wenn der zweite Pfad durch eine zylindrische
Leitung mit der Länge
L und dem Radius R umfasst, die parallel zum ersten Pfad verläuft, dann
ist die zweite Leitfähigkeit
C durch die Aperturleitfähigkeit
der Leitung und die innere Leitfähigkeit
der Leitung bei molekularem Fluß durch
die folgende Gleichung gegeben
wobei
v die mittlere Geschwindigkeit ist.
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Für
den zweiten Pfad gilt L >> R. Damit folgt für die zweite
Leitfähigkeit
C in
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Die Feinabstimmung der Leitfähigkeit
kann daher zweckmäßig durch
die Anpassung der Leitungslänge
L bei gegebenem Durchmesser erfolgen.
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Wird der zweite Pfad durch eine Modifikation des
ersten Pfades, beispielsweise durch Einschwenken einer Lochblende
mit der Öffnungsfläche A in den
zweiten Pfad gebildet, so ist die Leitfähigkeit in erster Näherung proportional
zu A.
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Das beschriebene Verfahren wirkt
insofern selbstregulierend, als durch das Verdampfen geringer Mengen
der Übertragungsflüssigkeit
die effektive Saugleistung über
den zweiten Pfad vermindert wird, wodurch der Druck in der Abfüllkammer
wieder steigt und ein weiteres Verdampfen verhindert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Befüllen von
Messwerken mit einer Übertragungsflüssigkeit
umfasst eine Abfüllkammer;
eine Vakuumpumpe; eine erste Saugleitung zwischen der Abfüllkammer
und der Vakuumpumpe mit einer ersten Leitfähigkeit; und eine zweiten Saugleitung
zwischen der Abfüllkammer
und der Vakuumpumpe mit einer zweiten Leitfähigkeit, wobei die erste Saugleitung
mittels eines Ventils unterbrechbar ist, wobei die zweite Leitfähigkeit
kleiner ist als die erste Leitfähigkeit.
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Alternativ umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Befüllen
von Messwerken mit einer Übertragungsflüssigkeit
eine Abfüllkammer;
eine Vakuumpumpe; eine Saugleitung zwischen der Abfüllkammer
und der Vakuumpumpe mit einer ersten Leitfähigkeit; und eine in die Saugleitung
schwenkbare Lochblende, wobei die durch die Lochblende die effektive
Leitfähigkeit
auf eine zweite Leitfähigkeit
verringert wird, die erheblich kleiner ist als die erste Leitfähigkeit.
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Vorzugsweise ist die zweite Leitfähigkeit mindestens
eine Größenordnung
besonders bevorzugt mindestens zwei Größenordnungen, kleiner als die
erste Leitfähigkeit.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise
ein Messgerät
zur Ermittlung des Drucks in der Abfüllkammer, wobei optional eine Steuerung
vorgesehen sein kann, welche das Ventil automatisch verschließt oder
eine Lochblende automatisch einschwenkt, wenn nach dem Herunterpumpen
der Abfüllkammer
ein Grenzwert, beispielsweise der anzustrebende Gleichgewichtsdruck,
erreicht worden ist. Gleichermaßen
kann das Beenden der Evakuierung über den ersten Pfad nach Ablauf
einer experimentell zu ermittelnden Zeit erfolgen, die hinreichend
lange ist, um den Gleichgewichtsdruck zu erreichen. Zum Beenden
der Evakuierung über
den ersten Pfad kann für
diesen Fall optional ein Zeitschalter vorgesehen sein.
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Selbstverständlich umfasst die Vorrichtung die üblichen
Leitungen und Anschlüsse
zur Befüllung der
Messwerke mit Übertragungsflüssigkeit.
Diese Mittel sind dem Fachmann jedoch geläufig und brauchen hier nicht
im einzelnen erörtert
werden.
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Die Abüllkammer kann entweder so beschaffen
sein, daß die
Maßwerke
vollständig
von der Füllkammer
umgeben sind, oder die Füllkammer
kann Anschlüsse
aufweisen, an welche die Maßwerke
mit ihren Füllöffnungen
druckdicht von außen
angeschlossen werden.
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Die erfindungsgemäßen Meßwerke zeichnen sich dadurch
aus, daß sie
nach dem beschriebenen Verfahren mit Füllflüssigkeit befüllt wurden.
D.h. die Füllflüssigkeit
ist frei von Kontamination und die flüchtigeren Bestandteile sind
noch im vollen Umfang vorhanden.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Ausführungsbeispiels
erläutert.
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Es zeigt:
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1:
eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2:
Massenspektren von einer Füllflüssigkeit
im Ausgangszustand und nach dem Verdampfen von leichten Komponenten;
und
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3:
eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in 1 gezeigte
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst eine Abfüllkammer
bzw. einen Rezipienten 1 zur Aufnahme von zu füllenden
Sensoren 7. Der Rezipient hat ein Volumen von etwa 10 l und
ist über
eine Leitung 3 mit einem Durchmesser von etwa 7 cm und
einer Länge
von etwa 1 m, mit einer Vakuumpumpe 2 verbunden, die vorzugsweise eine
Drehschieberpumpe ist. Die Leitung 3 ist mittels eines
Ventils 5 verschließbar.
Parallel zur Leitung 3 erstreckt sich eine Leitung von
etwa gleicher Länge mit
einem Durchmesser von etwa 2 mm zwischen dem Rezipienten bzw. der
Abfüllkammer
und der Vakuumpumpe. Der Rezipient 1 ist mit einem Ölbehälter 6, übergeeigneter
Armaturen 8 verbunden. Der Ölbehälter wird, bevorzugt in ähnlicher
Weise, permanent unter Vakuum gehalten, wobei der Druck im Ölbehälter vorzugsweise
etwa dem Gleichgewichtsdruck im Rezipienten entspricht.
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Nach der Beschickung des Rezipienten
mit Messwerken 7, wird der Rezipient verschlossen und zunächst über die
erste Saugleitung 3 evakuiert. Bei Erreichen des erforderlichen
Drucks, der ungefähr dem
Gleichgewichtsdruck beim Pumpen über
den zweiten Pfad entspricht, wird die erste Saugleitung 3 mittels
des Ventils 5 verschlossen und das weitere Abpumpen des
Rezipienten erfolgt über
die zweite Saugleitung 4, die eine erheblich geringere
Leitfähigkeit
vorweißt,
so dass sich ein Gleichgewichtsdruck einstellt, der über die
Pumpgeschwindigkeit der Vakuumpumpe 2 die Leitfähigkeit
der zweiten Saugleitung 4 und die Eigenschaften des Rezipienten
vorgegeben ist. Nach Erreichen des Gleichgewichtsdrucks wird das
Füllöl zur Befüllung der
Messwerke 7 über die
Armaturen 8 in den Rezipienten eingeleitet, um die Messwerke
zu befüllen.
Hierzu kann das Füllöl beispielsweis über entsprechende
Düsen über geeignete Öffnungen
in die Meßwerke
eintropfen. Alternativ dazu können
die Füllöffnungen
der Meßwerke
abwärts
in ein Füllölbad im
Rezipienten getaucht werden, wobei die Befüllung dann über die Belüftung des Rezipienten erfolgt.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform, der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei in diesem Fall die Abfüllkammer 11 durch
ein zylindrisches Rohr mit einem Durckmesser von etwa 8 cm gebildet wird,
an dessen Unterseite Anschlüsse
für Meßwerke 7 vorgesehen
sind. Die Meßwerke
können
druckdicht an die Anschlüsse
angeschlossen werden, wobei dei Füllöffnungen der Meßwerke mit
den Anschlüssen fluchten.
Mit jedem Anschluß fluchtet
eine Einfülldüse der Füllarmatur 8.
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Das zylindrische Rohr ist direkt
mit einer Pumpe 2 verbunden. Somit besteht der der erste Pfad 13 im
wesentlichen aus der Abfüllkammer 11, wobei
ein Ventil 5 vorgesehen ist, um den Pfad zu unterbrechen.
Der zweite Pfad wird durch eine Saugleitung 4 mit einem
Durchmesser von etwa 2 mm gebildet die von dem zylindrischen Rohr
abzweigt und mit der Pumpe 2 verbunden ist.
