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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittler zur hydraulischen Übertragung
eines Mediendrucks. Druckmittler umfassen gewöhnlich eine mit einem Mediendruck
beaufschlagbare Trennmembran und einen Druckmittlerkörper mit
einem Membranträgerkörper, der
eine Membranträgerfläche aufweist,
mit der die Trennmembran entlang mindestens einer ersten umlaufenden
Naht verbunden ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Membranträgerfläche eine
Druckkammer ausgebildet ist, die mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert,
der sich von der Druckkammer durch den Membranträgerkörper zu einer zweiten Oberfläche erstreckt.
Weiterhin umfaßt
der Druckmittlerkörper
einen Prozeßanschlußkörper, der
eine Medienöffnung aufweist,
durch welche die Trennmembran mit einem Medium beaufschlagbar ist,
wobei der Prozeßanschlußkörper die
Trennmembran überdeckt
und mit dem Membranträgerkörper druckdicht
verbunden ist. Die druckdichte Verbindung zwischen dem Membranträgerkörper und
dem Prozeßanschlußkörper wird
idealerweise durch eine Schweißnaht
realisiert, jedoch ist diese Lösung
bisher nicht für
alle Varianten von Druckmittlern verfügbar. Insbesondere bei Druckmittlern
für hohe
Temperaturen und hohe Drücke
lassen die bisherigen Alternativen zu wünschen übrig. So weist beispielsweise
der Membrandruckmittler der Standardbauart PN 250 Typ 990.10 der Firma
WIKA eine Verschraubung mit acht Bolzen zwischen dem Membranträgerkörper und
dem Prozeßanschlußkörper auf.
Dies ist insofern nachteilhaft, als der Montageaufwand sehr groß ist. Zudem
nehmen die Bolzen bzw. der Randbereich des Druckmittlers, durch
den die Bolzen geführt
sind, den größten Teil der
Querschnittsfläche
des Druckmittlers ein. Dies bedeutet, daß bei einer vorgegebenen Baugröße des Druckmittlers
nur eine vergleichsweise kleine Trennmembran eingesetzt werden kann.
Kleine Trennmembranen bewirken jedoch ein verhältnismäßig großen temperaturabhängigen Druckmeßfehler,
da zur Aufnahme eines bestimmten temperaturabhängigen Volumens der Übertragungsflüssigkeit
in der Druckkammer unter der Trennmembran, die Trennmembran stärker verformt
werden muß.
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Andererseits
war es bisher nicht möglich, verschweißte Druckmittler
für hohe
Drücke
herzustellen, bei denen die Trennmembranen einen größeren Teil
der Querschnittsfläche
des Druckmittlers einnehmen, weil das Verschweißen mit einer hinreichend starken
Schweißnaht
die Trennmembran zerstört
hat.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckmittler
bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
den Druckmittler gemäß Patentanspruch
1. Der erfindungsgemäße Druckmittler
umfaßt
eine Trennmembran und einen Druckkörper mit einem Membranträgerkörper, der
eine Membranträgerfläche aufweist,
mit der die Trennmembran entlang mindestens einer ersten umlaufenden
Naht verbunden ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Membranträgerfläche eine
Druckkammer ausgebildet ist, die mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert,
der sich von der Druckkammer durch den Membranträgerkörper zu einer zweiten Oberfläche erstreckt;
und einen Prozeßanschlußkörper, der
eine Medienöffnung
aufweist, durch welche die Trennmembran mit einem Medium beaufschlagbar
ist, wobei der Prozeßanschlußkörper die
Trennmembran überdeckt
und mit dem Membrankörper
entlang einer zweiten umlaufenden Naht druckdicht verschweißt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite umlaufende Naht außerhalb
der Ebene der ersten umlaufenden Naht verläuft.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Membranträgerkörper einen
zentralen Vorsprung, der von einem umlaufenden Randbereich umgeben
ist, und der gegenüber
dem Randbereich hervorsteht, wobei der Vorsprung die Membranträgerfläche mit
der ersten Naht umfaßt,
und die zweite Naht in dem Randbereich verläuft.
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Weiterhin
erweist es sich als zweckmäßig, wenn
der Randbereich zwischen der ersten und der zweiten Naht einen ersten
konkaven Abschnitt aufweist. Unter einem konkaven Abschnitt ist
ein Abschnitt zu verstehen, der in radialer Richtung ein konkaves
Profil aufweist. So kann der erste konkave Abschnitt beispielsweise
einen umlaufenden Graben umfassen, wobei die Sohle des Grabens einen
größeren Abstand
von der Ebene der ersten Naht aufweist als die zweite Naht. Ein
solcher Graben gewährleistet,
daß der
Wärmeleitungspfand
zwischen der zweiten Naht und der ersten Naht nicht direkt verläuft, sondern
um den Graben. Auf diese Weise ist die erste Naht von der Hitze
geschützt,
die beim Erzeugen der zweiten Naht auftritt.
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Der
erste konkave Abschnitt weist in radialer Richtung vorzugsweise
zumindest abstandsweise ein gerundetes Profil auf. Das gerundete
Profil bewirkt, daß in
seinem Bereich keine Kerbspannungen auftreten können.
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Gleichermaßen ist
es derzeit bevorzugt, daß die
der Trennmembran zugewandte Oberfläche des Prozeßanschlußkörpers zumindest
abschnittsweise in radialer Richtung ein gerundetes konkaves Profil aufweist.
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Die
erste Naht umfaßt
eine Metallische Fügung,
die beispielsweise als Lotnaht, Hartlotnaht oder als Schweißnaht ausgebildet
ist.
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Derzeit
ist es bevorzugt, die zweite Naht als zweilagige Schweißnaht auszuführen. Hierzu
wird zunächst
der Membranträgerkörper mit
dem Prozeßanschlußkörper mit
einer energiearmen umlaufenden geschlossenen Schweißnaht verbunden.
Diese Schweißnaht
dient unter anderem als thermische Abschirmung des Innenraums des
Druckmittlerkörpers gegen
die Wärme,
die beim Anbringen der zweiten Lage der tragenden Schweißnaht auftritt.
Bei Druckmittlern für
hohe Drücke,
beispielsweise 400 bar, bzw. 700 bar kann die zweite Naht eine Elektronenstrahlschweißnaht mit
einer Stärke
von beispielsweise 8 mm umfassen.
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Die
erfindungsgemäß gefertigten
Druckmittler sind geeignet, die Druckkräfte zu erhalten, die auch bei
großen
Membrandurchmessern von mindestens 40 mm, vorzugsweise 50 mm bei
Nenndrücken
von mindestens 100 bar, vorzugsweise mindestens 150 bar, bzw. für Hochdruckanwendungen
bei mindestens 400 bar oder vorzugsweise mindestens 700 bar auftreten.
Bei einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Membrandurchmesser 58 mm,
wobei der Druckmittler den genannten Drücken standhält.
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Die
zweite Oberfläche,
zu der sich der hydraulische Pfad erstreckt kann beispielsweise
eine Wand einer Meßzellenkammer
sein, die in dem Membranträgerkörper oder
von diesem abgesetzt ausgebildet sein kann. Gleichermaßen kann
die zweite Oberfläche
den Anschluß für einen
weiteren hydraulischen Pfad umfassen, der mit dem ersten Hydraulischen
Pfad kommuniziert. Der zweite hydraulische Pfad kann beispiesweise
eine Kapillarleitung umfassen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Es
zeigt:
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1: Eine Seitenansicht eines
erfindungsgemäßen Druckmittlers
mit teilweise freigelegtem Längsschnitt;
und
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2: eine Seitenansicht eines
zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Druckmittlers.
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Der
in 1 gezeigte Druckmittler
umfaßt
einen Membranträgerkörper 10,
einen Prozeßanschlußkörper 20 und
eine Trennmembran 30. Die genannten Bauteile weisen im
wesentlichen eine axiale Symmetrie auf. Der Membranträgerkörper 10 weist eine
Stirnfläche 14 auf,
in der ein Membranbett 13 ausgebildet ist. Über dem
Membranbett 13 ist eine Trennmembran 30 angeordnet,
die mit ihrem randumlaufend mit einer ersten Naht mit der Stirnfläche 14 verschweißt ist.
Zwischen der Trennmembran 30 und dem Membranbett 13 ist
eine Druckkammer ausgebildet, von der sich ein Druckkanal 11 zu
einer Sensorkammer 12 im Druckmittlerkörper erstreckt. In der Drucksensorkammer 12 kann
ein beliebiger Drucksensor, beispielsweise ein piezoresistiver Drucksensor
oder ein kapazitiver Drucksensor angeordnet sein, wobei der Drucksensor
mittels eine Fixiervorrichtung, die im Beispiel als Fixierschraube 17 ausgestaltet
ist, befestigt ist. Zum Anschluß an
einen Prozeß umfaßt der Druckmittler
einen Prozeßanschlußkörper 20,
der mit dem Membranträgerkörper entlang
einer umlaufenden Schweißnaht 24 druckdicht
verschweißt
ist. Die umlaufende Schweißnaht 24 ist
dabei so positioniert, daß die
bei ihrer Erzeugung auftretende Wärmestrahlung die Trennmembran 30 und
deren Schweißverbindung
zum Membranträgerkörper nicht
zerstören
kann. Im Einzelnen wird dies folgendermaßen gewährleistet:
Die Membranträgerfläche 14 ist
auf einem zentralen axialen Vorsprung 15 angeordnet, der
von einem umlaufenden Randbereich 16 umgeben ist. Der Prozeßanschlußkörper 20 weist
auf seine den Membranträgerkörper 10 zugewandten
Stirnfläche
einen axial hervorstehenden umlaufenden Rand 25 auf, der
mit dem umlaufenden Randbereich 16 des Membranträgerkörpers 10 fluchtet
und auf diesen aufsetzt. Die Mantelfläche des Druckmittlerkörpers weist
eine umlaufende Nut auf, in welcher die Ebene der Schweißnaht zwischen
dem Membranträgerkörper 10 und dem
Prozeßanschlußkörper 20 verläuft. Die Schweißnaht kann
zweilagig ausgeführt
sein, wobei zuerst in einer ersten Lage die beiden Körper miteinander
druckdicht verschweißt
werden, ohne daß die Schweißnaht großen Prozeßdrücken standhalten würde. Diese
erste Lage dient im wesentlichen dazu, die Körper zueinander zu fixieren
und eine Abschirmung des Innenraumes des Druckmittlers mit der Trennmembran 30 gegen
die Wärmestrahlung
zu bilden, die beim Erzeugen der drucktragenden zweiten Lage der
Schweißnaht 24 auftritt.
Ein weiterer Schutz der Trennmembran 30 vor der beim Schweißen auftretenden
Wärmestrahlung
ergibt sich auch durch einen geometrischen Abschaltungseffekt durch
die Mantelfläche
des axialen Vorsprungs 15. Weiterhin ist zur Vermeidung
von direkter Wärmeleitung
zwischen der Schweißnaht 24 und
der Trennmembran 30 im Randbereich 16 des Membranträgerkörpers 10 ein
Graben ausgebildet, welcher der Wärmeleitung entgegensteht.
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Der
Prozeßanschlußkörper 20 weist
ansonsten einen Prozeßanschlußstopfen 23 mit
einem Schraubgewinde auf seiner Mantelfläche auf, mit dem der Prozeßanschlußkörper in
eine Prozeßleitung
geschraubt werden kann. Zum Einsatz eines geeigneten Werkzeugs ist
oberhalb des Prozeßanschlußstopfens 22 eine
Kontur, beispielsweise ein Sechskant vorgesehen. Von der Stirnseite
des Prozeßanschlußstopfens
erstreckt sich eine als Bohrung 21 ausgebildete Medienöffnung in
das Innere des Druckmittlers, durch welche die Trennmembran 30 mit
einem Prozeßmedium
beaufschlagbar ist.
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2 zeigt eine abgewandelte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckmittlers,
die im wesentlichen den gleichen Aufbau hat wie der Druckmittler
aus 1. Daher werden
auch folgend nur die Unterschiede erläutert. Der Druckmittler in 2 weist einen abgewandelten
Membranträgerkörper, 18 auf,
welcher keine Sensorkammer umfaßt.
Stattdessen ist eine durchgehende Druckleitung 19 vorgesehen,
welche sich bis zu einem Anschlußgewinde für eine Kapillarleitung erstreckt.
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Weitere
Abwandlungen und Ausgestaltungen des erfinderischen Druckmittlers
ergeben sich für
den Fachmann in naheliegender Weise ohne vom Wesen der Erfindung
abzuweichen.
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Im
Ergebnis offenbart die vorliegende Erfindung einen Druckmittler,
der bei gegebenen äußeren Dimensionen
einen maximalen Membrandurchmesser und somit einen minimalen Temperaturfehler
aufweist. Zudem erweist der erfindungsgemäße Druckmittler eine erhöhte Temperaturfestigkeit,
beispielsweise bis zu 400 Grad Celsius, da keine temperaturanfälligen Dichtelemente
zwischen dem Membranträgerkörper und
dem Prozeßanschlußkörper mehr erforderlich
sind.