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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Membrandruckmittler gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Ein
Membrandruckmittler dient dazu, einen Messdruck, d.h. einen zu messenden
Druck eines Messstoffes, auf ein auf Druck ansprechendes Gerät zu übertragen,
wenn dieses aus bestimmten Gründen
nicht direkt mit dem Messstoff in Berührung kommen soll. Dies kann
beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Messstoff korrosiv ist
und im Falle des direkten Kontaktes mit dem Gerät dieses angreifen würde, wenn
der Messstoff hochviskos ist und dadurch die Druckweiterleitung
in den Toträumen
des Gerätes
behindern würde
oder wenn der Messstoff zur Kristallisation oder Polymerisation
neigt und dadurch Anschlussleitungen zum Gerät verstopfen würde. Diese
Aufzählung
von Anwendungsfällen
eines Membrandruckmittlers ist nicht abschließend und enthält lediglich
einige mögliche
Beispiele.
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Bei
dem auf Druck ansprechenden Gerät handelt
es sich in der Mehrzahl der Anwendungsfälle um ein Druckmessgerät zur Messung
und Anzeige des Überdrucks
des Messstoffes. Es kann sich dabei aber auch um einen Druckmessumformer,
einen Druckschalter, einen Druckaufnehmer oder ein Differenzdruckmessgerät oder dergleichen
handeln.
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Ein
Membrandruckmittler mit den Merkmalen des Obergriffs von Patentanspruch
1 ist bekannt durch Dokument
DE
31 21 799 A . Bei diesem bekannten Membrandruckmittler weist
die Membraneinheit eine erste Membran sowie eine zweite Membran
auf, wobei beide Membranen die gleiche Gestalt haben und parallel
zueinander angeordnet sind. Die erste Membran steht in Kontakt mit
der Füllflüssigkeit,
und die zweite Membran steht im Betrieb in Kontakt mit dem Messstoff.
Die Ausbildung der Membraneinheit aus zwei Membranen, d.h. als sogenannte Zweifach-Membran,
dient dem Zweck, einer Ionen-Diffusion durch die Membraneinheit
hindurch von der Füllflüssigkeit
zum Messstoff und umgekehrt vorzubeugen. Wenn die Füllflüssigkeit
durch eindiffundierte Fremdionen verunreinigt wird, so kann dies die
Funktionsfähigkeit
des Membrandruckmittlers beeinträchtigen.
Ferner darf bei zahlreichen Anwendungsfällen nicht zugelassen werden,
dass der Messstoff durch von der Füllflüssigkeit her eindiffundierte
Fremdionen verunreinigt wird. Daher ist bei dem bekannten Membrandruckmittler
der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen der Zweifach-Membran zur Umgebung
belüftet,
so dass allenfalls durch eine der beiden Membranen diffundierte Ionen
aus dem Zwischenraum abgeleitet werden und dadurch am Erreichen
des anderen Fluids (Messstoff bzw. Füllflüssigkeit) gehindert werden.
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Die
Ausbildung der Membraneinheit als Zweifach-Membran hat ferner die
Wirkung, dass die Füllflüssigkeit
und der Messstoff selbst dann nicht in Kontakt miteinander kommen,
wenn eine der beiden Membranen brechen sollte, da dann noch die
andere der beiden Membranen den Messstoff und die Füllflüssigkeit
voneinander getrennt hält.
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Dokument
DE 42 35 684 A offenbart
einen Membrandruckmittler mit einer Membraneinheit, die eine erste,
einer Flüssigkeitskammer
zugewandte Membran sowie eine zweite, dem Messstoff ausgesetzte
Membran aufweist. In den Zwischenraum zwischen den beiden Membranen
wird ein Spülfluid
eingeleitet, das durch einen Hohlraum in einem die beiden Membranen
in Abstand haltenden Abstandsstück
aus dem Zwischenraum abgeleitet wird und einer Erfassungseinrichtung
zugeleitet wird. Mittels der Erfassungseinrichtung wird die Konzentration
wenigstens einer Komponente des Messstoffs im Spülfluid ermittelt, so dass eine
Zustandsänderung
in dem Zwischenraum, nämlich
eine Konzentrationsänderung
des Spülfluids,
erfasst werden kann. Dies ermöglicht
es, einen Bruch der dem Messstoff ausgesetzten Membran zu erfassen
und zur Anzeige zu bringen. Die Erfassungseinrichtung kann nur dann auf
einen Bruch der dem Messstoff ausgesetzten Membran ansprechen, wenn
der Druck des Messstoffs größer als
der des Spülfluids
ist. Ferner besteht die Gefahr, dass infolge eines Bruchs der dem
Messstoff ausgesetzten Membran der Messstoff durch das Spülfluid verunreinigt
wird.
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Dokument
DE 40 25 109 C offenbart
eine Membranpumpe, die eine Membraneinheit aufweist, die aus einer
ersten Membran und einer zweiten Membran besteht, die einen abgeschlossenen
Zwischenraum zwischen sich einschließen. Der Zwischenraum ist mit
einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt und/oder
mit einem Unterdruck versehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Membrandruckmittler
dahingehend weiterzubilden, dass der Bruch einer der Membranen zuverlässig erfasst
werden kann, und zwar auch dann, wenn der Messstoff unter negativem Überdruck
bzw. unter Unterdruck steht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Membrandruckmittler gemäß Patentanspruch
1 gelöst,
für den
wesentlich ist, dass an den Hohlraum eine Erfassungseinrichtung
angeschlossen ist, die eine Zustandsänderung in dem Hohlraum erfassen kann,
und dass der Hohlraum und der Zwischenraum nach außen fluiddicht
abgeschlossen und evakuiert sind.
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Ein
Membrandruckmittler mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch
1 und zusätzlich
mit dem Merkmal, dass an den Hohlraum eine Erfassungseinrichtung
angeschlossen ist, die eine Zustandsänderung in dem Hohlraum erfassen
kann, ist in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
P
198 59 507.7 beschrieben. Bei diesem Membrandruckmittler
ist der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen der Membraneinheit zur
Umgebung belüftet
und steht er somit unter Umgebungsdruck.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Membrandruckmittler
ist der Zwischenraum nicht belüftet,
sondern herrscht in dem Zwischenraum und in dem mit diesem in Strömungsverbindung
stehenden Hohlraum der Absolutdruck Null, wobei unter dem Begriff "Absolutdruck Null" ein technisch mit
vertretbarem Aufwand realisierbares Vakuum zu verstehen ist, das einen
Druck von weniger als 100 mbar und vorzugsweise weniger als 10 mbar
hat.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausbildung
tritt im Falle eines Bruchs einer der beiden Membranen der Membraneinheit
Fluid (Messstoff oder Füllflüssigkeit)
nicht nur dann in den Zwischenraum und den Hohlraum ein, wenn der
Messstoff und die Füllfüssigkeit
unter einem positiven Überdruck stehen,
sondern auch dann, wenn diese unter einem negativen Überdruck
stehen, d.h. unter einem Druck, der kleiner ist als der Umgebungsdruck.
Dadurch ist gewährleistet,
dass die Erfassungseinrichtung ihre Funktion, den Bruch einer der
beiden Membranen zu erfassen und anzuzeigen, auch dann erfüllen kann, wenn
der Messstoff unter negativem Überdruck steht.
Dadurch ist der Anwendungs- bzw. Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers erweitert.
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Die
Tatsache, dass bei dem erfindungsgemäßen Membrandruckmittler der
Hohlraum und der Zwischenraum evakuiert sind, hat ferner den Vorteil, dass
im Falle eines Bruchs der zweiten, mit dem Messstoff in Kontakt
stehenden Membran der Messstoff nicht verunreinigt werden kann,
da aus dem evakuierten, "leeren" Zwischenraum kein
Medium in den Messstoff gelangen kann. Hierin besteht ein Unterschied
zu dem bekannten Membrandruckmittler, bei dem der Zwischenraum zur
Umgebung belüftet
ist, so dass im Falle eines Bruchs der zweiten Membran der Messstoff
in Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre kommt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Membrandruckmittler
kann die Erfassungseinrichtung einen Leitfähigkeitssensor oder einen kapazitiven
Sensor aufweisen. Diese Sensoren erfassen eine Zustandsänderung
im Hohlraum dadurch, dass das eingedrungene Fluid am Sensor dessen
Leitfähigkeit
bzw. Kapazität
verändert.
Da der Hohlraum bis zum Bruch einer der beiden Membranen evakuiert
ist und der Sensor überhaupt
erst dann fluidkontaktiert ist, wenn es zum Bruch einer der beiden
Membranen gekommen ist, tritt am Sensor eine ausgeprägtere Zustandsänderung
auf, als wenn der Sensor vor dem Bruch einer der beiden Membranen
der umgebenden Atmosphäre
ausgesetzt ist. Auch aufgrund dieses Effektes sind der Anwendungs-
und Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers erweitert.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein,
daß die
Erfassungseinrichtung eine auf Druck ansprechende Erfassungseinrichtung
ist. Da bei dem erfindungsgemäßen Membrandruckmittler
der Hohlraum und der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen
evakuiert ist, tritt – sofern
der Meßdruck
größer als
der Absolutdruck Null ist – zwangsläufig eine
Druckerhöhung
an der Erfassungseinrichtung auf, wenn eine der beiden Membranen
bricht und undicht wird. Diese Druckerhöhung wird von der Erfassungseinrichtung
erfaßt und
kann in eine entsprechende Anzeige oder ein entsprechendes Warnsignal
umgesetzt werden. Zu beachten ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Membrandruckmittler
eine Druckänderung
an der Erfassungseinrichtung nicht durch Umgebungseinflüsse verursacht
sein kann, sondern ausschließlich
dann auftritt, wenn das Vakuum gestört wird, insbesondere also
wenn eine der beiden Membranen bricht. Diese Unabhängigkeit
des an der Erfassungseinrichtung herrschenden Drucks von Umgebungseinflüssen ist erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß der
Hohlraum und der Zwischenraum evakuiert sind.
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Die
Ausbildung der Erfassungseinrichtung als auf Druck ansprechende
Einrichtung hat zur Folge, daß die
Erfassungseinrichtung eine Zustandsänderung in dem Hohlraum bei
beliebiger stofflicher Beschaffenheit des Meßstoffes erfaßt, so daß die Ausbildung
der Erfassungseinrichtung nicht auf die stoffliche Beschaffenheit
des Meßstoffes
abgestimmt zu sein braucht. Hierin liegt ein Unterschied zu einer
Erfassungseinrichtung mit einem kapazitiven Sensor oder einem Leitfähigkeitssensor,
bei dem die Kapazitätsänderung
bzw. Leitfähigkeitsänderung
von der stofflichen Beschaffenheit des zum Sensor gelangten Meßstoffes
abhängt.
Schließlich
hat die Ausbildung der Erfassungseinrichtung als auf Druck ansprechende
Erfassungseinrichtung den Vorteil, daß die Ansprechzeit der Erfassungseinrichtung
kurz ist, weil sich die im Falle eines Bruchs einer der beiden Membranen
auftretende Druckerhöhung
schnell bis zur Erfassungseinrichtung fortpflanzt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers;
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2 in
einem Radialschnitt wesentliche Elemente des Membrandruckmittlers
gemäß 1;
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3 in
vergrößertem Maßstab eine
Einzelheit X von 2;
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4 in 3 ähnlicher
Darstellung eine abgewandelte Ausführungsform des Membrandruckmittlers;
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5 in 2 ähnlicher
Darstellung weitere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers
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Eine
erste Ausführungsform
des Membrandruckmittlers wird im Folgenden unter Bezugnahme auf
die 1 bis 3 erläutert. Der in diesen Figuren
dargestellte Membrandruckmittler 2 umfaßt einen im wesentlichen kreisscheibenförmigen Grundkörper 4,
eine flache Membraneinheit 6 mit kreisförmigen Umriß sowie einen im wesentlichen
kreisscheibenförmigen
Flanschkörper 8.
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Auf
seiner in 1 unten liegenden Seite weist
der Grundkörper 4 eine
mittig angeordnete, flache Ausnehmung auf, die von einer ringförmigen,
im wesentlichen ebenen Fügefläche 9 umgeben
ist. Die Fügefläche 9 ihrerseits
ist von einem erhöhten,
in den 1 und 2 nach unten vom übrigen Grundkörper 4 vorstehenden
Ringflanschabschnitt 10 umgeben. Der Flanschkörper 8 ist
mit Hilfe von Schrauben 12 derart fest mit dem Grundkörper 4 verbunden,
daß seine
ebene Oberseite an der ebenen Unterseite des Ringflanschabschnitts 10 dichtend
anliegt. In diesem Bereich ist zusätzlich ein ringförmiges Dichtelement 14 vorgesehen,
das in einer Nut des Flanschkörpers 8 angeordnet
ist und am Ringflanschabschnitt 10 anliegt. Mittig im Flanschkörper 8 ist
ein Meßstoffraum 16 ausgebildet,
der durch eine nicht dargestellte Bohrung innerhalb des Flanschkörpers 8 an
das System anschließbar
ist, das den Meßstoff
führt,
dessen Druck gemessen werden soll.
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Die
Membraneinheit 6 weist einen kreisringförmigen Randbereich 18 auf
(siehe 3), der an der Fügefläche 9 fluiddicht befestigt
ist. Auf diese Weise begrenzen der Boden der Ausnehmung im Grundkörper 4 sowie
die Membraneinheit 6 eine flache Flüssigkeitskammer 20,
die im Betrieb mit einer Füllflüssigkeit
gefüllt
ist. Die Flüssigkeitskammer 20 ist
durch eine mittige Bohrung 22 im Grundkörper 4 mit einer Leitung 24 verbunden,
an die wiederum ein (verkleinert dargestelltes) Druckmeßgerät 26,
beispielsweise ein Federrohrmanometer, angeschlossen ist.
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Der
Boden der flachen Ausnehmung im Grundkörper 4 bildet ein
Membranbett 28. Wie insbesondere die 2 und 3 erkennen
lassen, hat das Membranbett 28 eine gewellte Oberfläche. Dabei besteht
die Wellung aus ringförmigen
Wellenkämmen
und ringförmigen
Wellentäler,
die sämlich
zueinander konzentrisch angeordnet und ausgebildet sind. Die Membraneinheit 6 weist
eine zur Wellung des Membranbetts 28 komplementäre Wellung
auf.
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Im
Betrieb sind die Flüssigkeitskammer 20, die
Bohrung 22, die Leitung 24 und das Meßelement des
Druckmeßgerätes 26 mit
einer geeigneten Füllflüssigkeit
gefüllt.
Ferner ist im Betrieb der Meßstoffraum 16 mit
dem Meßstoff
gefüllt,
dessen Druck gemessen werden soll. Der Druck im Meßstoffraum 16 wird
mittels der Membraneinheit 6 zur Füllflüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 20 übertragen,
so daß das Druckmeßgeräte 26,
das den Druck der Füllflüssigkeit
mißt und
anzeigt, dadurch zugleich den Druck des Meßstoffes im Meßstoffraum 16 mißt und anzeigt.
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Sowohl
der Grundkörper 4 als
auch der Flanschkörper 8 können aus
einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem austenitischen Stahl,
bestehen. Für
diese Bauteile kommt aber auch eine Ausbildung aus einem Kunststoffwerkstoff,
beispiels-weise einem Fluorpolymer, in Frage.
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Der
Flanschkörper 8 des
vorstehend erläuterten
Membrandruckmittlers 2 ist kein in jedem Fall notwendiger
Bestandteil des erfindungsgemäßen Membrandruckmittlers.
Vielmehr kann dieser auch in sogenannter Flanschbauart oder Zellenbauart,
d.h. ohne den Flanschkörper 4,
ausgeführt
sein, wobei dann der Grundkörper 4 unmittelbar
an das den Meßstoff
führende
System angeflanscht wird. Ferner kann die Membraneinheit 6 auch
einen anderen Umriß als
einen kreisförmigen
Umriß haben.
Auch die dargestellte Formen des Membranbettes 28 und der Membraneinheit 6 sind
lediglich Beispiele für
die mögliche
Formgebung von Membranbett und Membraneinheit.
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Die
Membraneinheit 6 des ersten Ausführungsbeispiels besteht aus
zwei Membranen, nämlich
einer ersten Membran 30, die der Flüssigkeitskammer 20 zugewandt
ist, und einer zweiten Membran 32, die dem Meßstoffraum 16 bzw.
dem Meßstoff zugewandt
ist. Wie 3 erkennen läßt, hat die zweite Membran 32 einen
größeren Durchmesser
als die erste Membran 30 und überragt die zweite Membran 32 die
erste Membran 30 in Radialrichtung nach außen, wobei
mit dem Begriff „Radialrichtung" die Richtung eines
von der Mitte der Membraneinheit 6 ausgehenden Radius gemeint
ist. Der Randbereich 18 der Membraneinheit 6 wird
somit radial außen
allein durch die zweite Membran 32 gebildet und radial innen
durch beide Membranen 30 und 32 gebildet. Die
erste Membran 30 ist an einem Befestigungsbereich 9a der
Fügefläche 9 durch
Schweißen,
Löten oder
Kleben entlang dem gesamten Umfang der ersten Membran 30 fluiddicht
befestigt. Die zweite Membran 32 ist an einem zweiten Befestigungsbereich 9b der
Fügefläche 9 durch
Schweißen,
Löten oder
Kleben entlang dem gesamten Umfang der zweiten Membran fluiddicht
befestigt. Der zweite Befestigungsbereich 9b liegt radial
weiter außerhalb
als der erste Befestigungsbereich 9a. Die im wesentlichen ebene
Fügefläche 9 weist
eine Stufe auf, die der Dicke der ersten Membran 30 entspricht.
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Die
beiden Membranen 30 und 32 haben die gleiche Gestalt
und sind aneinander anliegend parallel zueinander angeordnet. Dies
bedeutet, daß die der
zweiten Membran 32 zugewandte Unterseite der ersten Membran 30 überall in
Berühung
mit der der ersten Membran 30 zugewandten Oberseite der zweiten
Membran steht und daß diese
Oberseite und diese Unterseite übereinstimmend
geformt sind. Zwischen den beiden Membranen 30 und 32 ist
ein Zwischenraum vorhanden, dessen Dicke – gemessen als Abstand zwischen
den beiden Membranen – gegen
Null geht, da die beiden Membranen aneinander anliegen. Wegen dieser
geringen Dicke ist der Zwischenraum auch in der vergrößerten Darstellung
gemäß 3 nicht
darstellbar. Es sei jedoch klargestellt, daß im Rahmen der vorliegenden
Anmeldung auch ein Raum, dessen Dicke gegen Null geht, als Zwischenraum
angesehen und bezeichnet wird.
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Die
zweite Membran 32 besteht üblicherweise aus einem an den
Einsatzzweck des Membrandruckmittlers 2 angepaßten Sonder-material,
beispielsweise Titan, Hastelloy (Nickel-Molybdän-Eisen-Legierung mit über 55%
Nickel), Monel (Nickel-Kupfer-Legierung mit 30 bis 40% Kupfer),
Inconel (warmfeste Nickel-basislegierung) oder Tantal. Die erste
Membran 30, die nicht in Kontakt mit dem Meßstoff steht,
braucht nicht aus einem dem Meßstoff
angepaßten
Sondermaterial bestehen, wird jedoch überlicherweise aus dem gleichen
Material wie die zweite Membran gefertigt. Für beide Membranen kommt auch
eine Ausbildung einem Kunststoff, beispielsweise Perfluoralkoxy-Copolymer,
in Frage.
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Wie
die 2 und 3 erkennen lassen, ist im Grundkörper 4 ein
Hohlraum ausgebildet, der aus einer Bohrung 34 und einer
Kammer 36 besteht, in die die Bohrung 34 an ihrem
einen Ende mündet. Die
Bohrung 34 mündet
an ihrem anderen Ende in der Fügefläche 9 zwischen
dem Befestigungsbereich 9a und dem Befestigungsbereich 9b,
so daß diese Mündung der
Bohrung 34 ausschließlich
von der zweiten Membran 32 überdeckt ist. In dem Bereich zwischen
dem äußeren Rand
der ersten Membran 30 und der Mündung der Bohrung 34 ist
zwischen der Fügefläche 9 und
der zweiten Membran 32 ein Spalt vorhanden, dessen Dicke
zwar gegen Null geht, der jedoch ausreicht, um für eine ständig offene Strömungsverbindung
zwischen der Bohrung 34 und dem Zwischenraum zwischen den
beiden Membranen 30 und 32 zu sorgen, so daß im Gleichgewichtszustand
die Drücke
im Zwischenraum zwischen den beiden Membranen 30 und 32,
in der Bohrung 34 und in der Kammer 36 stets gleich
sind. Damit die Strömungsverbindung
zwischen der Bohrung 34 und dem Zwischenraum nicht durch
den an den Grundkörper 4 angesetzten
Flanschkörper 8 unterbrochen wird,
ist die Fügefläche 9 bezüglich der
Unterseite des Ringflanschabschnittes 10, nach oben in 3, d.h.
in den Grundkörper 4 hinein
versetzt, so daß der Flanschkörper 8 nicht
in Kontakt mit dem Randbereich 18 der Membraneinheit 6 steht
und die beiden Membranen 30 und 32 im Randbereich 18 nicht
aneinander pressen kann.
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An
die Kammer 36 ist einer Erfassungseinrichtung in Form eines
elektrischen Druckmeßumformers 38 angeschlossen,
der beispielsweise einen piezoresistiven Drucksensor oder einen
durch eine Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifenanordnung
gebildeten Sensor aufweist. In dargestellter Weise ist der Druckmeßumformer 38 mit
seinem einen Ende in die Kammer 36 derart eingesetzt, daß diese
dadurch fluiddicht abgeschlossen ist. Auf diese Weise ist der Sensor
des elektrischen Druckmeßumformers
dem Druck in der Kammer ausgesetzt. Die elektrischen Anschlüsse des
Druckmeßumformers 38 sind
nicht dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß das vom Druckmeßumformer 38 gelieferte
Ausgangssignal ein Maß für den im
durch die Bohrung 34 und die Kammer 36 gebildeten
Hohlraum herrschenden Druck ist.
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Im
Grundkörper 4 des
Membrandruckmittlers 2 ist ferner ein Kanal 40 ausgebildet,
der in der Fügefläche 9 mündet. Die
Mündung
des Kanals 40 in der Fügefläche 9 ist
in gleicher Weise angeordnet und ausgebildet wie die Mündung der
Bohrung 34, so daß auch
für den
Kanal 40 gilt, daß er
stets in Strömungs-verbindung
mit dem Zwischenraum zwischen den beiden Membranen 30 und 32 steht.
An den Kanal 40 ist ein kurzes Rohr 42 angeschlossen,
das nach oben vom Grundkörper 4 vorsteht.
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Im
Zuge der Fertigung des beschriebenen Membrandruckmittlers 2 wird
die Membraneinheit 6 am Grundkörper 4 befestigt und
wird die Erfassungseinrichtung in Form des Druckmeßumformers 28 gasdicht
an die Kammer 36 angeschlossen. Nachdem dieser Zustand
erreicht worden ist, wird durch das Rohr 42 hindurch die
Luft aus dem durch die Bohrung 34 und die Kammer 36 gebildeten
Hohlraum sowie aus dem Zwischenraum zwischen den beiden Membranen 30 und 32 abgesaugt,
bis diese Räume auf
einen Druck von beispielsweise 10–2 mbar
oder sogar 10–3 mbar
evakuiert sind. Im Anschluß daran wird
das Rohr 42 dauerhaft und gasdicht verschlossen, so daß sein verschlossenes
oberes Ende ein Verschlußelement 44 für den Kanal 40 bildet. Ab-schließend wird
das Rohr 42 mittels einer am Grundkörper 4 befestigten
Kappe 46 abgedeckt, um das Rohr 42 vor Beschädigungen
zu schützen
und dadurch einem Verlust des Vakuums vorzubeugen.
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In
Abwandlung der vorstehend erläuterten Ausbildung
des Kanals 40 kann vorgesehen sein, daß dieser Kanal von dem Hohlraum,
beispielsweise der Bohrung 34 abzweigt. Ferner kann in
weiterer Abwandlung vorgesehen sein, daß die Evakuierung des Zwischenraums
und des Hohlraums durch den elektrischen Druckmeßumformer 38 hindurch
erfolgt.
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Unabhängig davon,
mit welchen Mitteln und auf welche Weise der Hohlraum und der Zwischenraum
evakuiert werden, ist für
den beschriebenen Membrandruckmittler wesentlich, daß während seines
Betriebes der Hohlraum und der Zwischenraum nach außen abgeschlossen
und evakuiert sind, in diesen Räumen
also der Absolutdruck Null herrscht. Sollte dann im Betrieb des
Membrandruckmittlers eine der beiden Membranen 30 und 32 undicht
werden – ein
solches Undichtwerden wird hier als „Bruch" bezeichnet – gelangt Fluid in den Hohlraum zwischen
den beiden Membranen 30 und 32. Wenn der Bruch
an der Membran 30 auftritt, handelt es sich bei diesem
Fluid um die Füllflüssigkeit,
und wenn der Bruch an der Membran 32 auftritt, handelt
es sich bei diesem Fluid um den Meßstoff. Durch das in den Zwischenraum
eindringende Fluid wird das im Zwischenraum zuvor herrschende Vakuum
gestört
und erhöht sich
der Druck im Zwischenraum. Diese Druckerhöhung breitet sich schnell durch
die Bohrung 24 bis in die Kammer 36 und somit
zum Sensor des Druckmeßumformers 38 aus,
so daß das
Ausgangssignal des Druckmueßumformers 38 die
Druckerhöhung
wiedergibt und dadurch die Zustandsänderung im Hohlraum, in diesem
Fall die Änderung
des Drucks im Hohlraum, erfaßt
wird.
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Wie
sich aus der vorstehenden Beschreibung der Wirkungsweise des Membrandruckmittlers ergibt,
spricht dessen Erfassungseinrichtung dann an, wenn Fluid in den
Zwischenraum eindringt. Dies setzt hinsichtlich des Meßstoffes
lediglich voraus, daß dessen
Absolutdruck größer als
Null ist. Daher ist die Erfassung eines Bruchs einer der beiden
Membranen auch dann gewährleistet,
wenn der Meßstoff unter
einem negativen Überdruck
steht, d.h. wenn der Meßdruck
unterhalb des Umgebungsdrucks liegt.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel besteht die
Membraneinheit 6 aus den zwei aneinanderan liegenden Membranen 30 und 32.
In Abwandlung hiervon kann vorgesehen sein, daß die Membraneinheit 6 zusätzlich zu
der ersten Membran 30 und der zweiten Membran 32 eine gasdurchlässige Zwischenlage 48 aufweist.
Diese Abwandlung ist in 4 dargestellt. Die Zwischenlage
kann durch ein Metallsieb oder eine Kunststoffasereinlage gebildet
sein und verringert den Strömungswiderstand
in dem Zwischenraum zwischen den beiden Membranen 30 und 32.
Wie in 4 dargestellt ist, erstreckt sich die Zwischenlage
vorzugsweise bis in den Bereich der Mündung der Bohrung 34.
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5 zeigt
weitere Ausführungsformen
des Membrandruckmittlers, die sich von der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
allein durch die Art der Erfassungseinrichtung unterscheiden. In 5 sind
schematisch drei verschiedene Erfassungseinrichtungen dargestellt,
von denen jeweils eine alternativ statt des elektrischen Druckmeßumformers 38 der
ersten Ausführungsform
an die Kammer 36 angeschlossen sein kann. Demgemäß ist bei
einer zweiten Ausführungsform
des Membrandruckmittlers die Erfassungseinrichtung als mechanisches
Druckmeßgerät in Form
eins Rohrfedermanometers 50 ausgebildet. Dieses ist mit
dem Druck in dem durch die Bohrung 34 und die Kammer 36 gebildeten
Hohlraum herrschenden Druck beaufschlagt. Wenn dieser Druck aufgrund
des Bruchs einer der Membranen ansteigt, zeigt das Rohrfedermanometer 50 einen
dementsprechend höheren
Druck an.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
des Membrandruckmittlers ist die Erfassungseinrichtung als Kolben-Zylinder-Einheit 52 ausgebildet.
Im Falle eines Bruchs der ersten Membran 30 oder der zweiten
Membran 32 wird ein Kolben 54 der Kolben-Zylinder-Einheit 52 durch
den dann erhöhten
Druck in der Kammer 36 angehoben. Diese Kolbenbewegung
verschiebt eine Kolbenstange 56, die einen Mikroschalter 58 betätigt, der
ein elektrisches Ausgangssignal liefert. Alternativ kann das Sichtbarwerden
der Kolbenstange 56 außerhalb
der Kolben-Zylinder-Einheit 52 unmittelbar als Anzeichen
für den
Störfall,
d.h. für den
Bruch einer der beiden Membranen dienen. Die Kolben-Zylinder-Einheit 52 ist
eine Erfassungseinrichtung mit besonders hoher Überdruckssicherheit.
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Bei
der zweiten und dritten Ausführungsform ist
die Erfassungseinrichtung ebenso wie bei der ersten Ausführungsform
eine Erfassungseinrichtung, die auf Druck anspricht. Dementsprechend
ist derjenige Zustand, dessen Änderung
erfaßt
wird, der Druck im Hohlraum. Die Erfassungseinrichtung kann jedoch auch
derart ausgebildet sein, daß sie
andere Zustandsänderungen
als eine Druckänderung,
beispielsweise eine Änderung
der Art des im Hohlraum vorhandenen Mediums erfaßt. Beispiele für solche Erfassungseinrichtungen
sind Erfassungseinrichtungen mit einem Leitfähigkeitssensor oder einem kapazitiven
Sensor. Ein weiteres Beispiel hierfür ist eine Erfassungseinrichtung
mit einem chemisch-reaktiven Sensor 60, der bei der vierten
Ausführungsform
des Membrandruckmittlers vorgesehen ist (siehe 5). Der
Sensor 60 ist einen elektrisch leitfähiges Element, das in einem
elektrischen Stromkreis (nicht dargestellt) eingeschlossen ist,
und besteht aus einem Werkstoff, der vom Meßstoff, wenn dieser aufgrund
eines Bruchs der zweiten Membran 32 bis zum Sensor 60 gelangt
ist, chemisch angegriffen wird und schließlich zerstört wird. Dadurch wird der Stromkreis unter-brochen
und ein dementsprechendes elektrisches Ausgangssignal geliefert.
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Da
der Zwischenraum zwischen den beiden Membranen und der Hohlraum
bis zu dem Zeitpunkt, zu dem eine der beiden Membranen bricht, evakuiert ist,
gelangt das im Falle eines Bruches eindringende Fluid zu der Erfassungseinrichtung
schneller als dann, wenn der Zwischenraum und der Hohlraum unter
Umgebungsdruck stünden.
Durch die Evakuierung des Zwischenraumes und des Hohlraumes wird somit
eine Verkürzung
der Ansprechzeit bei denjenigen Erfassungseinrichtung erreicht,
die auf eine Änderung
der stofflichen Beschaffenheit des ihren Sensor umgebenden Mediums
ansprechen.
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Der
elektrische Druckmeßumformer 38 des ersten
Ausführungsbeispiels,
die Erfassungseinrichtung mit dem chemisch-reaktiven Sensor 60 des vierten
Ausführungsbeispiels
und der Mikro-schalter 58 der Kolben-Zylinder-Einheit 52 des
dritten Ausführungsbeispiels
liefern jeweils ein elektrisches Ausgangssignal, das in eine akkustische
und/oder optische Anzeige umgewandelt werden kann. Das Rohrfedermanometer 50 der
zweiten Ausführungsform liefert
unmittelbar eine optische Anzeige. Wenn die Kolben-Zylinder-Einheit 52 nicht
den Mikroschalter 58 aufweist, liefert die Kolben-Zylinder-Einheit 52 der dritten
Ausführungsform
unmittelbar eine optische Anzeige. Diese Anzeigen stellen jeweils
einen warnenden Hinweis darauf dar, daß eine der beiden Membranen
der Membraneinheit gebrochen ist und der Membrandruckmittler ausgetauscht
werden sollte.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsformen
sowie Abwandlungen der erläuterten Ausführungsbeispiele
möglich.
Beispielsweise ist es nicht notwendig, daß die auf Druck ansprechenden Erfassungseinrichtungen
des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels unmittelbar
in die Kammer 36 eingesetzt sind; vielmehr können diese
Erfassungseinrichtungen auch entfernt vom Grundkörper 4 angeordnet
und mittels einer Leitung an die Kammer 36 bzw. die Bohrung 34 angeschlossen
sein.
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Der
Membrandruckmittler weist einen Grundkörper, eine darin ausgebildete
flache Ausnehmung und eine Membraneinheit auf, die fluiddicht am Grundkörper befestigt
ist und zusammen mit der Ausnehmung eine im Betrieb mit einer Füllflüssigkeit
gefüllte
Flüssigkeitskammer
begrenzt. Die Membranein heit weist eine erste, der Flüssigkeitskammer
zugewandte Membran sowie eine zweite Membran auf. Beide Membranen
haben die gleiche Gestalt und sind parallel zueinander angeordnet.
Im Grundkörper ist
ein Hohlraum ausgebildet, der in ununterbrochener Strömungsverbindung
mit dem Zwischenraum zwischen den beiden Membranen steht. Der Hohlraum
und der Zwischenraum sind evakuiert. Wenn aufgrund eines Bruchs
eine der beiden Membranen Füllflüssigkeit
oder Meßstoff
in den Zwischenraum zwischen den Membranen eintritt, führt dies
zu einer Zustandsänderung
im Hohlraum, die von einer an den Hohlraum angeschlossenen Erfassungseinrichtung
erfaßt
wird, die ein den Membranbruch anzeigendes Warnsignal liefert. Die
Evakuierung des Hohlraums und des Zwischenraumes erweitert den Einsatz-
und Anwendungsbereich des Druckmittlers u.a. in dem Sinne, daß die Erfassungseinrichtung auch
dann anspricht, wenn der Meßstoff
unter negativem Überdruck
steht.