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Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft einen Druck-Transmitter zum Erfassen einer physikalischen Variablen eines Prozessfluids mittels einer Messung des relativen oder absoluten Drucks des Prozessfluids.
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Druck-Transmitter sind bekanntermaßen in industriellen Prozesssteuerungssystemen weitverbreitet, um eine oder mehrere physikalische Variablen (wie z. B. einen Druck, einen Füllstand, eine Strömung etc.) eines Prozessfluid zu erfassen.
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Zum Erfassen dieser physikalischen Variablen führen einige Druck-Transmitter („Messgerät”-)Druck-Transmitter) eine oder mehrere Messungen des relativen oder absoluten Drucks des Prozessfluids aus. Auf dem Gebiet von industriellen Prozesssteuerungssystemen besteht Bedarf an „Messgerät”-Druck-Transmittern, die für die Messung von hohen Drücken, z. B. etwa 700 Bar, geeignet sind.
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Das vorliegende Gebrauchsmuster soll diesem Bedarf gerecht werden, indem ein Druck-Transmitter zum Erfassen einer physikalischen Variablen eines Prozessfluids nach Anspruch 1 und den auf ihn bezogenen abhängigen Ansprüchen geschaffen wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Druck-Transmitters gemäß dem vorliegenden Gebrauchsmuster werden unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung, die ausschließlich als rein beispielhaftes Beispiel angeführt ist, besser verständlich, wobei 1 bis 4 eine Ausführungsform des Druck-Transmitters schematisch veranschaulichen.
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Unter Bezugnahme auf die vorstehend erwähnte Zeichnung bezieht sich das vorliegende Gebrauchsmuster auf einen Druck-Transmitter 100 zum Erfassen einer physikalischen Variablen eines Prozessfluids.
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Das vorstehend erwähnte Prozessfluid kann ein beliebiges Gas oder eine beliebige Flüssigkeit sein, die in einem industriellen Prozess verwendet werden.
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Der Druck-Transmitter 100 kann zum Erfassen einer auf dieses Prozessfluid bezogenen physikalischen Variablen, wie z. B. eines Drucks, eines Füllstand, einer Strömung etc., verwendet werden. Wie nachstehend zu diesem Zweck eingehender beschrieben wird, weist der Druck-Transmitter 100 eine Messvorrichtung 10 zum Messen des Drucks eines Fluid auf.
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Der Druck-Transmitter 100 ist vorzugsweise ein Druck-Transmitter des „Messgeräte”-Typs.
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Der Messbereich des Transmitters 100 erstreckt sich vorzugsweise von –1 Bar auf 700 Bar.
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Der Druck-Transmitter 100 weist vorzugsweise eine geformte Umhüllung 101 auf, die einen ersten Tragabschnitt 101A und einen zweiten Abschnitt 101B aufweist, der einen inneren Gehäusehohlraum 102 definiert. Die Abschnitte 101A, 101B der Umhüllung 101 können mit Verbindungsmitteln eines bekannten Typs mechanisch aneinander gekoppelt sein. Alternativ können sie Teil eines einzeln ausgeformten Körpers sein.
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Der Druck-Transmitter 100 weist eine Trennmembran 9 auf, die in Reaktion auf einen ausgeübten Druck flexibel (durch Biegen elastisch verformbar) ist.
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Die Trennmembran 9 ist dazu geeignet, in Bezug auf das Prozessfluid eine Grenzfläche zu bilden, so dass dieses auf dieselbe einen Druck ausübt und eine Biegebewegung derselben hervorruft, wobei deren Umfang bzw. Größe im Wesentlichen von dem ausgeübten Druck abhängt.
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Die Trennmembran 9 kann eine Trennmembran eines bekannten Typs sein.
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Vorzugsweise besteht sie aus einer Dünnmetalllage, die passend geformt ist und so behandelt ist, dass sie sich in Reaktion auf einen ausgeübten Druck biegt.
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Die Trennmembran 9 ist vorzugsweise an die Umhüllung 101 an einem Prozess-Port 103 derselben mechanisch gekoppelt (z. B. mittels geeigneter Schweißverfahren).
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Vorteilhafterweise ist der Prozess-Port 103 mit der Quelle des Prozessfluids hydraulisch verbunden.
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Der Druck-Transmitter 100 weist die Druckmessvorrichtung 10 auf, die vorzugsweise im Inneren des Gehäusehohlraums 102 positioniert ist.
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Die Messvorrichtung 10 weist einen Tragkörper 11 auf, der so geformt ist, dass er einen Innenhohlraum 12 definiert (1).
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Vorzugsweise weist der Tragkörper 11 einen ersten und einen zweiten Halbkörper 11A, 11B auf, die mit mechanischem Mitteln eines bekannten Typs mechanisch aneinandergekoppelt sind.
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Die Messvorrichtung 10 weist eine Messmembran 2 auf, die in Reaktion auf einen ausgeübten Druck flexibel ist.
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Die Messmembran 2 kann eine Messmembran eines bekannten Typs sein.
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Vorzugsweise besteht sie aus einer Dünnmetalllage, die passend geformt ist und so behandelt ist, dass sie sich in Reaktion auf einen ausgeübten Druck biegt.
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Die Messmembran 2 weist eine erste und eine zweite Oberfläche 21, 22 auf, die einander gegenüber liegen.
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Vorzugsweise ist die Messmembran 2 zwischen dem ersten und dem zweiten Halbkörper 11A, 11B positioniert und an dieselben (z. B. mittels geeigneter Schweißverfahren) in der Nähe von jeweils den einander gegenüberliegenden Oberflächen 21, 22 mechanisch gekoppelt.
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Die Messmembran 2 ist im Inneren des Innenhohlraums 2 so positioniert, dass sie denselben in eine Messkammer 12A und in eine Grenzflächenkammer 12B unterteilt.
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Die Messkammern 12A, 12B sind vorzugsweise so konfiguriert, dass das Innenvolumen der Grenzflächenkammer 12B viel kleiner ist als das der Messkammer 12A.
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Vorzugsweise besteht die Grenzflächenkammer 12B aus einem Luftraum zwischen dem Halbkörper 11B und der Trennmembran 2 an der Oberfläche derselben und aus einem oder mehreren Kapillarrohren, die durch den Halbkörper 11B verlaufen.
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Die Messkammer 12A weist vorteilhafter Weise ein Innenvolumen bei einem vordefinierten Referenzdruck PR auf.
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Der Referenzdruck PR entspricht vorteilhafter Weise dem Atmosphärendruck oder dem Vakuumdruck.
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Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Betriebs des Druck-Transmitters 100 unter Bezugnahme auf diese Fälle, auch wenn der Referenzdruck PR prinzipiell ein beliebiger sein könnte.
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In den Fällen, in denen die Messkammer 12A einen inneren Atmosphärendruck aufweist, der sich von dem Vakuumdruck unterscheidet, kann die Messkammer 12A auf vorteilhafte Weise ein Fluid, z. B. Stickstoff, bei dem Referenzdruck PR enthalten.
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Die Messvorrichtung 10 weist vorzugsweise Steuermittel 13 des Referenzdrucks PR auf, die vorteilhafterweise einen Hydraulikkanal, der die Messkammer 12A mit der Außenseite verbindet, und ein Dichtungselement aufweisen können, das dem Hydraulikkanal operativ zugeordnet ist.
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Die Messvorrichtung 10 weist vorzugsweise eine Ausgangs-Umgehungsleitung 17 auf, die an den Tragkörper 11 der Messvorrichtung 10 mechanisch gekoppelt ist, an der die Steuermittel 13 bereitgestellt sind.
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Die Messmembran 2 ist so angeordnet, dass der Referenzdruck PR, der innerhalb der Messkammer 12A vorhanden ist, auf die erste Oberfläche 21 derselben ausgeübt wird.
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Zu diesem Zweck liegt die erste Oberfläche 21 der Membran 2 auf vorteilhafte Weise der Messkammer 12A gegenüber, wobei sie zumindest teilweise den Umfang derselben definiert.
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Die Messmembran 2 ist mit der Trennmembran 9 operativ gekoppelt, so dass ein Prozessdruck PP, der durch das Prozessfluid auf die vorstehend erwähnte Trennmembran ausgeübt wird, auf die zweite Oberfläche 22 der Messmembran 2 übertragen wird.
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Zu diesem Zweck liegt die zweite Oberfläche 22 der Membran 2 vorzugsweise der Grenzflächenkammer 12B gegenüber, wobei sie deren Umfang zumindest teilweise definiert, und der Druck-Transmitter 100 weist einen Einlasskanal 6 (z. B. ein Verbindungskapillarrohr) auf, der sich von der Trennmembran 9 zu der Grenzflächenkammer 12B so erstreckt, dass er diese hydraulisch miteinander verbindet.
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Der Einlasskanal 6 und die Grenzflächenkammer 12B enthalten auf vorteilhafte Weise ein im Wesentlichen nicht komprimierbares Fluid (z. B. ein Silikon-Öl), das mit der Messmembran 2 und der Trennmembran 9 in Kontakt ist.
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Die Messmembran 2 und die Trennmembran 9 sind somit mechanisch aneinandergekoppelt. Auf diese Weise entspricht der auf die zweite Oberfläche 22 der Messmembran 2 ausgeübte Druck im Wesentlichen dem Prozessdruck PP, wobei vernachlässigbare Lastverluste ausgenommen sind.
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Daraus ergibt sich, dass der resultierende Druck PM, der auf die Messmembran 2 effektiv ausgeübt wird, durch die nachstehende Beziehung gegeben ist: PM-PP-PR, wenn PP der Prozessdruck ist, der durch das Prozessfluid auf die Trennmembran 9 ausgeübt wird, und PR der Referenzdruck der inneren Atmosphäre der Messkammer 12A ist.
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In Reaktion auf den resultierenden ausgeübten Druck PM führt die Messmembran 2 (die elastisch verformbar ist) eine reversible Biegebewegung aus, die deren Verschiebung in Bezug auf einen Ruhezustand bestimmt.
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Angenommen, dass bei normaler Verwendung des Druck-Transmitters 100 der Prozessdruck PP viel höher ist als der Referenzdruck PR, findet die Verschiebung der Messmembran 2 typischerweise in Richtung der Messkammer 12A statt.
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Daraus ergibt sich, dass in den vorstehenden Fällen, in denen der Referenzdruck PR dem Atmosphärendruck oder dem Vakuumdruck entspricht, der Umfang bzw. die Größe der Biegebewegung der Messmembran 2 im Wesentlichen von jeweils dem relativen Druck oder dem absoluten Druck des Prozessfluids abhängig ist.
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Die Messvorrichtung 10 weist vorzugsweise eine Eingangs-Umgehungsleitung 15 auf, die an den Tragkörper 11 der Messvorrichtung 10 mechanisch gekoppelt ist.
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Die Eingangs-Umgehungsleitung 15 ist vorteilhafterweise geeignet, um den Einlasskanal 6 mit der Grenzflächenkammer 12B operativ zu verbinden.
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Die Eingangs-Umgehungsleitung 15 weist vorzugsweise einen oder mehrere Glas- und Keramikträger auf, die so angeordnet sind, dass sie eine hohe elektrische Isolierung zwischen der Messvorrichtung 10 und der äußeren Umhüllung 101 des Druck-Transmitters sicherstellen.
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Die Messvorrichtung 10 weist eine magnetische Messschaltung 4 auf, die in der Messkammer 12A positioniert ist.
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Die magnetische Messschaltung 4 befindet sich daher in einer isolierten Position in Bezug auf andere Teile des Transmitters (z. B. der Grenzflächenkammer 12B), die dem Prozessdruck direkt ausgesetzt sind.
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Der Magnetkreis 4 weist einen ersten und einen zweiten Magnetkern 41, 42 und eine elektrische Wicklung 43 auf, die einem der vorstehend erwähnten Magnetkerne operativ zugeordnet ist.
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Der erste Magnetkern 41 ist mit der Messmembran 2 an der ersten Oberfläche 21 derselben integral verbunden.
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Der zweite Magnetkern 42 ist von dem ersten Magnetkern 41 getrennt und befindet sich in einer festen Position in Bezug auf die Messmembran 2 und somit auf den ersten Magnetkern 41.
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Angenommen, dass sich der erste Magnetkern 41 integral mit der Messmembran 2 bewegt, und dass sich der zweite Magnetkern 42 in einer festen Position in Bezug auf Letztere befindet, sind die Magnetkerne 41, 42 der magnetischen Messschaltung 4 voneinander durch einen Luftspalt X getrennt. Dieser Luftspalt ist in Abhängigkeit von der Biegebewegung, die durch die Messmembran 2 in Reaktion auf die Ausübung des vorstehenden Referenzdrucks PR und Prozessdrucks PP ausgeführt wird, variabel.
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Daraus ergibt sich, dass jede Variationen des Luftspalts X von dem Umfang bzw. der Größe der entsprechenden Biegebewegung der Messmembran 2 abhängt, die wiederum von dem relativen Druck oder dem absoluten Druck des Prozessfluids abhängt.
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Angenommen, dass aus den vorstehend erläuterten Gründen die Verschiebung der Messmembran 2 typischerweise in Richtung der Messkammer 12A, bei einem Normalbetrieb des Druck-Transmitters 100 (Druck PP viel höher als der Druck PR), stattfindet, ist der Luftspalt X im Ruhezustand maximal und verringert sich in Reaktion auf die Ausübung des vorstehend erwähnten Referenzdrucks PR und Prozessdrucks PP.
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Die jeweilige Variation des Luftspalts X bestimmt wiederum eine Variation der Gesamt-Reluktanz R (die im Wesentlichen mit der Reluktanz des Luftspalts übereinstimmt) des Magnetkreises 4 und somit eine Variation einer Induktion L des durch die magnetische Messschaltung 4 ausgebildeten induktiven Zwei-Anschlüsse-Elements, die an den Enden der elektrischen Wicklung 43 beobachtet werden kann.
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Basierend auf den vorstehenden Überlegungen wird klar, dass eine jeweilige Variation der Induktion dieses induktiven Zwei-Anschlüsse-Elements letzten Endes im Wesentlichen von dem ausgeübten Prozessdruck P abhängt.
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Die magnetische Messschaltung 4 weist vorzugsweise ein mit der Messmembran 2 integral verbundenes Tragelement 44 auf, mit dem wiederum der Magnetkern 41 integral verbunden ist.
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Das Tragelement 44 besteht vorzugsweise aus einer Metallkugel, die an die Oberfläche 21 der Messmembran 2 geschweißt ist, und der Magnetkern 41 ist an die vorstehend erwähnte Metallkugel 44 geklebt.
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Der zweite Magnetkern 42 ist vorzugsweise mit dem Tragkörper 11 der Messvorrichtung 10, z. B. mittels eines Befestigungselements 45, das ein Befestigungselement eines beliebigen Typs sein kann, integral verbunden.
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Die elektrische Wicklung 43 ist dem zweiten Magnetkern 42 vorzugsweise operativ zugeordnet und weist eine oder mehrere Windungen auf, die um denselben gewickelt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Variante der Ausführungsform weist der Druck-Transmitter 100 elektronische Mittel 5 auf, die mit der magnetischen Messschaltung 4 operativ verbunden sind.
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Die elektronischen Mittel 5 sind geeignet, um Messsignale MP zuzuführen, die den Prozessdruck PP anzeigen.
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Die elektronischen Mittel 5 sind vorteilhafterweise mit der elektrischen Wicklung 43 der magnetischen Messschaltung 4, z. B. mittels geeigneter elektrischer Verbindungen 16, die an der Ausgangs-Umgehungsleitung 17 angeordnet sind, elektrisch verbunden.
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Die elektronischen Mittel 5 weisen vorzugsweise Zuführmittel 51, die mit der elektrischen Wicklung 43 elektrisch verbunden sind, und eine kapazitive elektrische Last 55 auf, an die elektrische Wicklung 43 elektrisch gekoppelt ist, so dass sie, zusammen mit der elektrischen Wicklung, eine elektronische LC-Schaltung (z. B. des Parallel-LC-Typs) ausbilden.
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Die Zuführmittel 51 sind geeignet, um der elektronischen LC-Schaltung (die durch die elektrische Wicklung 43 und durch die kapazitive Last 55 ausgebildet ist) vordefinierte Spannungsimpulse zuzuführen, so dass eine harmonische Schwingung derselben bewirkt wird.
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Die elektronischen Mittel 5 weisen vorzugsweise Sensormittel 52 auf, die geeignet sind, um Messsignale MI, die die Oszillationsfrequenz (Resonanz) des Stroms anzuzeigen, der in der vorstehend erwähnten elektronischen LC-Schaltung zirkuliert, in Reaktion auf das Senden eines Spannungsimpulses durch die Zuführmittel 51 zuzuführen. Diese Oszillationsfrequenz hängt im Wesentlichen von der Induktanz des durch die magnetische Messschaltung 4 ausgebildeten induktiven Zwei-Anschlüsse-Elements ab, die an den Enden der elektrischen Wicklung 43 beobachtet werden kann.
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Die elektronischen Mittel 5 weisen vorzugsweise Prozessmittel 53 auf, z. B. einen Mikroprozessor, der geeignet ist, die Messsignale MI, die die Oszillationsfrequenz der elektronischen LC-Schaltung anzeigen, zu empfangen und Messsignale MP, die den Prozessdruck PP anzeigen, zuzuführen.
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Durch eine Messung der Oszillationsfrequenz der elektronischen LC-Schaltung sind die elektronischen Mittel 5 tatsächlich auf vorteilhafte Weise in der Lage, die Variationen einer Induktanz des durch die magnetische Messschaltung 4 ausgebildeten induktiven Zwei-Anschlüsse-Elements zu messen, die an den Enden der elektrischen Wicklung 43 beobachtet werden kann.
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Wie vorstehend angegeben, hängen diese Variationen der Induktanz des vorstehend erwähnten induktiven Zwei-Anschlüsse-Elements von den Variationen des Luftspalts X ab, die wiederum von dem Prozessdruck PP abhängig sind.
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Basierend auf den vorstehenden Überlegungen wird klar, dass mittels einer Messung der Oszillationsfrequenz der elektronischen Schaltung LC die elektronischen Mittel 5 den Druck des Prozessfluids messen können.
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Der Druck-Transmitter 100 weist in Bezug auf Effektivität und Benutzerfreundlichkeit erhebliche Vorteile auf.
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Aufgrund der magnetischen Messschaltung 4 stellt der Druck-Transmitter 100 eine hohe Leistungsfähigkeit beim Messen des relativen oder absoluten Drucks des Prozessfluids sicher.
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Unter Bezugnahme auf den Messbereich des Instruments können z. B. Genauigkeitsgrade in der Ordnung von 0,075 Fehler-% erhalten werden.
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Durch die Positionierung der magnetischen Messschaltung 4 in der Messkammer 12A wird in einer isolierten Position in Bezug auf die Teile des Transmitters, die dem Prozessdruck direkt ausgesetzt sind, ein höchst zuverlässiges Leistungsverhalten sichergestellt und die praktische Implementierung der gleichen Schaltung erheblich vereinfacht.
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Der Druck-Transmitter 100 ist relativ einfach und kompakt strukturiert.
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Die spezielle Konfiguration der Grenzflächenkammer 12B ermöglicht eine Reduktion der Menge des verwendeten, nicht komprimierbaren Fluids und in Bezug auf die Abmessungen der Trennmembran in Bezug auf Vorrichtungen des Stands der Technik.
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Die Gesamtstruktur des Druck-Transmitters 100 ist somit besonders robust und zur Verwendung mit Hochdruck-Prozessfluids (z. B. etwa 700 Bar) geeignet.
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Die industrielle Montage des Druck-Transmitters 100 ist wiederum erheblich vereinfacht, insbesondere in Bezug auf die Messvorrichtung 10 und die einschlägigen Verbindungen mit dem Prozess-Port 103.
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Der Druck-Transmitter 100 ist im industriellen Maßstab einfach und kostengünstig herzustellen und einfach zu installieren.
