DE19608310C1

DE19608310C1 - Differenzdruckmeßumformereinheit mit einem Überlastschutzsystem

Info

Publication number: DE19608310C1
Application number: DE19608310A
Authority: DE
Inventors: Juergen Biskup
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: US5804735A; GB2310498A; JPH09229802A; FR2745378B1; FR2745378A1; GB9701582D0; GB2310498B

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzdruckmeßumformereinheit mit einem Überlastschutzsystem zur Messung von geringem Differenzdruck in Flüssigkeiten und Gasen unter hoher statischer Druckbelastung, die mit Flanschen an den Wirkdruckleitungen anschließbar ist.

Derartige Geräte sind durch Vorbenutzung und aus einschlägigen Veröffentlichungen bekannt. Deren grundlegender mechanischer Aufbau ist in der GB 2 065 893 und der EP 0 143 702 detailliert beschrieben. Unabhängig von der Art der Umsetzung von mechanischen Druck-/Differenzdrucksignalen in äquivalente elektrische Größen ist gemäß beiden Vorveröffentlichungen ein im wesentlichen zylindrischer Zentralkörper vorgesehen, der unter Verwendung entsprechender Dichtungsmittel zwischen zwei gleichartige schalenförmige Kappen eingeschlossen ist. Diese Kappen sind mit einer Mehrzahl von radial angeordneten und mechanisch vorgespannten Bolzen miteinander verschraubt, wobei die mechanische Vorspannung der Bolzen so gewählt ist, daß bei maximal zulässiger statischer Druckbelastung ein Druckverlust am Zentralkörper vermieden wird.

Infolge dieser prinzipbedingten mechanischen Vorspannung, die geräteindividuell variiert, tritt eine mechanische Verspannung des Zentralkörpers ein, die einen vorspannungsabhängigen Offset bzw. eine vorspannungsabhängige Kennliniendeformation der sich über eine Mittelebene des Zentralkörpers erstreckenden Meß- bzw. Überlastmembran bewirkt. Weiterhin sind die erforderlichen Dichtungen mit Abhängigkeit vom Prozeßmedium hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung geräteindividuell anzupassen und darüber hinaus verschleißbehaftet.

Jede Kappe weist zentralkörperseitig eine Ausnehmung auf, die über Kanäle, die üblicherweise als Bohrungen ausgeführt sind, mit Flanschanschlüssen verbunden sind. Der Mittelabstand dieser Kanäle ist an den Flanschanschlüssen durch Normung vorgegeben.

Der Zentralkörper weist asymmetrisch einen Hals auf, an dem ein Kopfteil befestigt ist, in dem gemäß GB 2 065 893 Mittel zur Meßwertumformung, -verarbeitung und -anzeige vorgesehen sind.

Die Vielzahl erforderlicher druckdichter Fügestellen der bekannten Druckmeßgeräte nötigt in erheblichem Umfange zu spanender Präzisionsbearbeitung an einer Mehrzahl von Einzelteilen.

Weiterhin ist aus der WO 88/02107 ein Druckmeßgerät bekannt, das aus einem zylindrischen Grundkörper besteht, an dem einseitig tangentiale Flanschanschlüsse vorgesehen sind, zwischen denen sich der Drucksensor befindet. Dieses Gerät weist zwar eine geringere Anzahl druckdichter Fügestellen auf, ist aber bei fester mechanischer Zuordnung der Anzeigemittel zur Gerätelage in seiner Montageart gebunden.

Ein besonderes Problem bei derartigen Meßgeräten stellt das Überlastschutzsystem dar, das den empfindlichen Differenzdrucksensor bei einseitigem Druckabfall, bei dem der statische Druck als Differenzdruck an liegt, vor Beschädigungen schützen soll. Dazu ist aus dem Hartmann & Braun - Listenblatt 10/15-6.21, Ausgabe Oktober 1992 ein Meßumformer bekannt, bei dem die das Meßwerk umfassende Meßkapsel zentral an einer rotationssymmetrisch umlaufenden Überlastmembran axialbeweglich aufgehängt ist. Praktisch zeigt sich jedoch, daß ein derartiges Überlastschutzsystem zu vom statischen Druck abhängigen Meßfehlern insbesondere bei geringen Differenzdrücken führt, die durch mechanische, mit dem statischen Druck wachsende Verspannungen des Gehäuses, die sich über die Überlastmembran auf das Meßwerk fortpflanzen, hervorgerufen werden und darüber hinaus hinsichtlich ihrer Toleranzen infolge thermischer Fügeprozesse meßwerkindividuell weit streuen.

Aus der DE 43 08 718 A1 ist das Vorsehen von einer Ausnehmung im Gehäuse einer elektrische Ausgangssignale liefernden Differenzdruckmeßumformereinheit an sich bekannt. Dabei befinden sich zwar elektrische Bauteile innerhalb dieser Ausnehmung, nicht aber der Differenzdrucksensor selbst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Überlastschutzsystem einer Differenzdruckmeßumformereinheit der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß störende Einflüsse durch absolutdruckabhängige radiale Verspannungen der Mittel des Überlastschutzsystems auf das Meßwerk vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt die wesentlichen Bestandteile einer zu beschreibenden Differenzdruckmeßumformereinheit in geschnittener Darstellung.

Der Differenzdruckmeßumformereinheit besteht aus einer zentralen Baugruppe, die aus zwei Trennscheiben 6 und 7 mit einer dazwischenliegenden Überlastmembran 8 aufgebaut und die vorzugsweise druckdicht verschweißt ist. Die der Überlastmembran 8 zugewandten Flächen der Trennscheiben 6 und 7 sind im wesentlichen konkav geformt und umschließen mit der Überlastmembran 8 beidseitig der Überlastmembran 8 gelegene innere Druckmittlerkammern 22 und 23. Die der Überlastmembran 8 abgewandten Außenflächen der Trennscheiben sind im wesentlichen konkav geformt und jeweils mit einer Trennmembran 11 und 12 unter Bildung jeweils einer äußeren Druckmittlerkammer 27 und 28 verschweißt. Die Trennscheiben 6 und 7 weisen jeweils einen zentralen Druckmittlerkanal zur Verbindung der jeweils zugehörigen inneren Druckmittlerkammer 22 und 23 mit der jeweils zugehörigen äußeren Druckmittlerkammer 27 und 28 auf, wobei jede aus einer inneren Druckmittlerkammer 22 oder 23 und der zugehörigen äußeren Druckmittlerkammer 27 oder 28 sowie dem zugehörigen Druckmittlerkanal gebildete Volumeneinheit für sich mit einem im wesentlichen inkompressiblen Druckmittler befüllt ist.

Diese zentrale Baugruppe ist zwischen Kappen 18 und 19 unter Bildung von Druckkammern 24 und 25 zur Zuführung der Prozeßdrücke montiert.

Weiterhin ist ein Meßwerk 1, 2, 3 bestehend aus Sensoren für Differenzdruck 1, Absolutdruck 3 und Sensortemperatur 2 vorgesehen, das über ein Verbindungskabel 26 mit Meßwertverarbeitungsmitteln 17 verbunden ist. Dabei können die Meßwertverarbeitungsmittel 17 um Mittel zur Meßwertanzeige ergänzt sein. Das Meßwerk 1, 2, 3 ist als für sich abgeschlossene integrale Einheit auf einer elektrischen Durchführung 4 montiert.

Zur mechanischen Befestigung ist eine Ausnehmung 5 in einem das Meßwerk 1, 2, 3 umgebenden Meßwerkgehäuse vorgesehen, in der das Meßwerk 1, 2, 3 pendelbar und verspannungsfrei befestigt ist. Im einzelnen ist dabei vorgesehen, daß das auf die elektrische Durchführung 4 montierte Meßwerk 1, 2, 3 berührungslos in die Ausnehmung 5 eintaucht, wobei die Ausnehmung 5 durch die elektrische Durchführung 4 deckel- beziehungsweise pfropfenhaft verschlossen ist.

Vorteilhafterweise werden mechanische Verspannungen des Meßwerkgehäuses durch die elektrische Durchführung 4 absorbiert, so daß das Meßwerk 1, 2, 3 gegebenenfalls in der Ausnehmung 5 verschwenkt wird aber jedenfalls verspannungsfrei bleibt.

Zur Zuführung der Prozeßdrücke zum Meßwerk 1, 2, 3 ist in jeder Trennscheibe 6 und 7 ein exzentrisch gelegener, druckmittlerdurchflossener Meßkanal 20 und 21 vorgesehen, der zumindest mittelbar mit dem Meßwerk 1, 2, 3 verbunden ist.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Trennscheiben 6 und 7 hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung asymmetrisch ausgeführt sind und daß die dickere Trennscheibe 6 die Ausnehmung 5 für das Meßwerk 1, 2, 3 aufweist. Dabei ist der Meßkanal 21 in der Trennscheibe 6 eine unmittelbare Verbindung der zugehörigen inneren Druckmittlerkammer 22 mit dem Inneren der Ausnehmung 5, so daß das Meßwerk 1, 2, 3 in der Ausnehmung 5 vom Druckmittler umspült wird. Zur Verbindung des Meßwerkes 1, 2, 3 mit dem Meßkanal 20 in der Trennscheibe 7 ist ein Rohr 13 vorgesehen, das durch die Durchführung 4 geführt ist. Dabei ist die erste Seite des Differenzdrucksensors 1 durch den den Sensor umgebenden Druckmittler mit dem Prozeßdruck aus der Druckkammer 24 der Kappe 18 belastet. Die zweite Seite des Differenzdrucksensors 1 ist durch das Rohr 13 über einen mit der Trennscheibe 7 verschweißten Flansch 14 verbunden und mit dem Prozeßdruck aus der Druckkammer 25 der Kappe 19 belastet. Der Absolutdrucksensor 3 ist vollständig von dem die Trennscheibe 6 umgebenden Druckmittler umspült und mißt den absoluten Druck der in Druckkammer 24. Der Temperatursensor 2 mißt die Temperatur in unmittelbarer Nähe des Absolutdrucksensor 3 und des Differenzdrucksensors 1. Das Meßwerk wird über jeweils einem Druckraum zugeordnete Füllanschlüsse 15, 16 mit einem als Druckmittler wirkenden Fluid gefüllt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind Bolzen 9 und 10 in die Druckmittlerkanäle unter Bildung eines Ringspaltes eingefügt. Die Bolzen 9 und 10 sind an der zur Überlastmembran 8 weisenden Seite mit den Trennscheiben 6, 7 verschweißt. Durch diesen Ringspalt zwischen Bohrung und Bolzen wird verhindert, daß bei einer Explosion im Inneren des Meßumformers Flammen in die mit Prozeßgas gefüllten und von den Kappen 18 und 19 umschlossenen Druckkammern 24 und 25 durchschlagen.

Die Sensoren 1, 2 und 3 sind auf der Durchführung 4 befestigt und werden nicht mit der Überlastmembran 8 bewegt. Damit entfallen bewegliche elektrische Verbindungen zwischen den Sensoren 1, 2 und 3 und den Meßwertverarbeitungsmitteln 17. Darüber hinaus wird nur eine einzige druckdichte elektrische Durchführung 4 benötigt. Dadurch können die elektrischen Verbindungen im Inneren des Meßwerks 1, 2, 3 auf ein Minimum beschränkt werden und es sind weniger Dichtstellen vorhanden.

Die Überlastmembran 8 besteht aus einer einfachen planen Ronde. Zusätzliche unsymmetrische Spannungen in der Überlastmembran 8 durch Füge, Umform- oder Schweißverfahren werden vermieden. Weiterhin werden keine Kräfte über die Überlastmembran 8 auf die Sensoren 1, 2, 3 übertragen, wie es bei Meßumformern der Fall ist, bei denen die Sensoren 1, 2, 3 mit der Überlastmembran 8 eine integrale Einheit bilden bzw. bei denen die Sensoren 1, 2, 3 mit Hilfe einer Durchführung auf die Überlastmembran geschweißt sind.

Bei Druckstößen beispielsweise durch plötzlichen Druckabfall in der Druckkammer 25 bewirkt der Druck des Prozeßgases in der Druckkammer 24 eine Wölbung der Trennmembran 11 in Richtung der gegenüberliegenden Druckkammer 25 bis deren trennscheibenseitige Oberfläche auf der Oberfläche der Trennscheibe 6 aufliegt. Dabei wird das Volumen der zugehörigen äußeren Druckmittlerkammer 27 gegen Null reduziert. Der in der äußeren Druckmittlerkammer 27 enthaltene Druckmittler strömt durch die Flammensperre, die durch den verbliebenen Ringspalt zwischen dem Druckmittlerkanal und dem darin angeordneten Bolzen 9 gebildet wird, in die zugehörige innere Druckmittlerkammer 22, wodurch die Überlastmembran 8 in Richtung der Trennscheibe 7 ausgelenkt wird.

Effektiv wird der Druck von der Trennmembran 11 über die als Dämpfungsglied wirkende Flammensperre zur Überlastmembran 8 und dann durch einen separaten Meßkanal 21 zu den Sensoren 1, 2, 3 geleitet, wobei die innere Druckmittlerkammer 22 als Pufferspeicher wirkt. Das bedeutet, Druckstöße wirken zunächst auf die Überlastmembran 8 und erst danach über Meßkanäle 20, 21 auf den empfindlichen Differenzdrucksensor 1.

Der Absolutdrucksensor 3 erfaßt den statischen Druck des Prozeßmediums. Mit dem Signal für den statischen Druck werden die druckabhängigen Fehler des Differenzdrucksensors 1 kompensiert. Die temperaturabhängigen Fehler des Differenzdrucksensors 1 werden mit dem Signal des Temperatursensors 2 kompensiert. Die Kompensationsberechnung erfolgt mit einem von den Meßwertverarbeitungsmitteln 17 umfaßten Prozessor. Das Signal des statischen Drucks wird ebenfalls fehlerkorrigiert und bei Bedarf über nicht dargestellte Signalleitungen ausgegeben.

Die aus der Durchführung 4 mit den Sensoren 1, 2 und 3 bestehende Einheit läßt sich vor der Endmontage leicht prüfen. Weiterhin ist die Erfassung der Temperatur in der Nähe der Sensoren 1 und 2 vorteilhaft für die Vermeidung dynamischer Temperaturfehler.

Bezugszeichenliste

1 Differenzdrucksensor
2 Temperatursensor
3 Absolutdrucksensor
4 Durchführung
5 Ausnehmung
6, 7 Trennscheiben
8 Überlastmembran
9, 10 Bolzen
11, 12 Trennmembran
13 Rohr
14 Flansch
15, 16 Füllanschlüsse
17 Meßwertverarbeitungsmittel
18, 19 Kappen
20, 21 Meßkanal
22, 23 innere Druckmittlerkammer
24, 25 Druckkammern
26 Verbindungskabel
27, 28 äußere Druckmittlerkammer

Claims

1. Differenzdruckmeßumformereinheit mit einem Überlastschutzsystem für sein einen elektrische Signale abgebenden Differenzdrucksensor (1) aufweisendes Meßwerk (1, 2, 3), bei dem das Meßwerkgehäuse aus zwei unter Zwischenlage einer Überlastmembran (8) fest miteinander verbundenen Trennscheiben (6, 7) besteht und von einem Paar Kappen (18, 19) unter Bildung zweier Druckkammern (24, 25) für die Zuführung der Prozeßdrücke umschlossen ist, wobei

- die der Überlastmembran (8) zugewandten Seiten der Trennscheiben (6, 7) unter Bildung von inneren Druckmittlerkammern (22, 23) im wesentlichen konkav ausgebildet sind,
- die Trennscheiben (6, 7) senkrecht zur Ebene der Überlastmembran (8) unter Bildung jeweils eines Druckmittlerkanals durchbohrt sind,
- jede Druckkammer (24, 25) durch eine axial bewegliche Trennmembran (11, 12) gegen die zugehörige im wesentlichen konkav ausgebildete Trennscheibe (6, 7) unter Bildung jeweils einer äußeren (27, 28) Druckmittlerkammer abgedichtet ist,
- jeweils die zu einer Trennscheibe (6, 7) gehörige innere Druckmittlerkammer (22, 23) über den Druckmittlerkanal mit der äußeren Druckmittlerkammer (27, 28) verbunden und mit einem im wesentlichen inkompressiblen Druckmittler befüllt ist,
- das Meßwerk (1, 2, 3) in einer Ausnehmung (5) des Meßwerksgehäuses pendelbar und verspannungsfrei eingehaust ist und
- jede Trennscheibe (6, 7) einen exzentrisch gelegenen, druckmitteldurchflossenen Meßkanal (20, 21) aufweist, der zumindest mittelbar mit dem Meßwerk (1, 2, 3) verbunden ist.

2. Differenzdruckmeßumformereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Trennscheiben (6, 7) in ihrer axialen Erstreckung asymmetrisch ausgeführt sind,
- daß die eine, dickere Trennscheibe (6) die Ausnehmung (5) für das Meßwerk (1, 2, 3) aufweist und
- daß das Meßwerk (1, 2, 3) mit der sie umgebenden Trennscheibe (6) zugehörigen inneren Druckmittlerkammer (22) direkt über den Meßkanal (21) und mit dem Meßkanal (20) der anderen, dünneren Trennscheibe (7) über ein Rohr (13) verbunden ist.

3. Differenzdruckmeßumformereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der die jeweilige äußere Druckmittlerkammer (27, 28) mit der zugehörigen inneren Druckmittlerkammer (22, 23) verbindende Druckmittlerkanal jeder Trennscheibe (6, 7) mit jeweils einem Bolzen (9,10) versehen ist, der unter Bildung eines Ringspaltes zumindest einseitig mit der zugehörigen Trennscheibe (6, 7) verbunden ist.