DE3629628C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochdruck-Meßwertumformer, um Drücke von mehreren 70 bar oder mehr zu messen.

Aus der US-PS 44 25 799 ist ein Meßwertumformer nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Dieser Meß­ wertumformer ist zur Messung von hohen Drücken nicht ge­ eignet, was auf zwischen einem Gehäuseteil des Umformers und einer Membranplatte, auf die der von einem Anschluß her zugeführte Druck unmittelbar einwirkt, angeordnete Dichtungs­ ringe sowie andere gleichartige Bauteile, die nur für niedrige Drücke geeignet sind, zurückzuführen ist. Da die Membran­ platte bei dem bekannten Meßwertumformer unmittelbar dem Fluiddruck ausgesetzt ist, besteht die große Gefahr, daß die aus Keramikmaterial bestehende Membranplatte zerbrochen wird.

Durch die DE-OS 28 24 794 ist ein Druckfühler bekanntge­ worden, der eine weiche Membran enthält, auf deren einer Seite ein Fluid wirkt. Auf der anderen Seite dieser weichen Membran wirkt auf diese eine erste Gasquelle mit einem ge­ regelten Druck. Ferner ist eine steife Membran vorhanden, die im Ansprechen auf ein Durchbiegen eine Kapazität ändert, und auf diese steife Membran wirkt nicht nur der ge­ regelte Druck der ersten Gasquelle, sondern es wirkt auf der anderen Seite auch ein Gasdruck mit einem zweiten Druck­ niveau. Ein an der weichen Membran befestigter Fuß überträgt deren Bewegung auf die steife Membran. Die weiche Membran liegt nicht an der steifen Membran an, sondern stellt nur eine punktförmige Berührung mit der steifen Membran über den kleinen Fuß her, was bedeutet, daß die weiche, äußere Membran mit größter Wahrscheinlichkeit, wenn auf diese Drücke mit sehr hohen Werten einwirken, zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Meßwertumformer der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung derart weiter­ zubilden, daß ein Schutz für die keramischen Platten, die die Elektroden tragen, auch bei hohen Drücken und damit ein sicherer Betrieb des Umformers gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßwertumformer durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druck-Meßwert­ umformers sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 7.

Durch die Anwendung einer im Gegensatz zum gattungsbildenden Stand der Technik, wonach die anströmseitige Platte sehr dünn ist (sie hat eine Dicke von 0,254-0,508 mm), relativ dicken Zwischenwand oder -platte mit der vor dieser liegenden dünnen, flexiblen Metallblechmembran, die den größten Teil der Fläche der Keramik-Zwischenplatte abdeckt sowie an dieser Zwischenwand ganzflächig anliegt und mit einem Gehäusebauteil verschweißt ist, wird mit größtmöglicher Sicher­ heit ein Schutz der Zwischenplatte und der hinter dieser im Gehäuse des Meßwertumformers aufgenommenen Bauteile er­ reicht. Durch die Schweißverbindung der Metallblechmembran mit einem stirnseitigen Gehäusebauteil können gegen Druckbe­ lastungen und sonstige Einflüsse empfindliche Dichtungen entfallen. Erfindungsgemäß wird somit ein Meßwertumformer von unkompliziertem, jedoch hoch zuverlässigen Aufbau ge­ schaffen, der für sehr hohe Drücke zum Einsatz kommen kann.

Die beiden isolierenden Platten (Grund- und Zwischenplatte) werden vorzugsweise aus Materialien mit hoher Druckfestig­ keit gefertigt und an dem hochfesten, stirnseitigen Bauteil eindeutig befestigt, um die Möglichkeit eines Druckaus­ tritts zu unterbinden. Diese Funktion kann beispielsweise durch die Verwendung eines starken Halteringes, der in ein Gehäuse, dem das stirnseitige Bauteil eingegliedert ist, eingeschraubt wird und den Meßwertumformer mechanisch ab­ stützt sowie die isolierende Zwischenplatte fest gegen die Metallblechmembran in Anlage hält, erreicht werden.

Um einen Begriff über die Größenabmessungen, die hier in Frage kommen, zu geben: Es wurde mit Erfolg eine lineare Druckmessung bis zu 662 bar unter Verwendung eines kapazi­ tiven Meßwertumformers von annähernd 30,48 mm mit einer iso­ lierenden Aluminiumoxid-Zwischenplatte von etwa 5,08 mm Dicke und einem flexiblen Blechmembran aus rostfreiem Stahl von annähernd 0,1016 mm Stärke sowie etwa 27,94 mm Durchmesser in Anlage mit der Oberfläche der Zwischenplatte durch­ geführt.

Im allgemeinen wird in Betracht gezogen, daß die Biegung der isolierenden Zwischenplatte vorzugsweise im Bereich von etwa 0,0254 mm bis mehrere 25 Tausendstel mm liegt. Dement­ sprechend können in Abhängigkeit vom gewünschten Druckbe­ reich der Durchmesser des Meßwertumformers, das Material der isolierenden Zwischenplatte sowie der Metallblechmembran und die Dicke der Zwischenplatte sowie der Blechmembran verändert werden. Im allgemeinen wird für niedrigere Drücke die Dicke der Zwischenplatte verringert. Es könnte auch ein rostfreies Stahlblechbauteil verwendet werden, welches etwas stärker ist als die oben erwähnte Dicke von 0,1016 mm, das z. B. eine Dicke von 0,254 mm hat.

Die rostfreie Metallblechmembran kann in ein rostfreies, stirnseitiges Bauteil vertieft eingesetzt und an ihrem Platz verschweißt werden, um ein Einwirken eines hohen Fluiddrucks unmittelbar auf den Meßwertumformer oder diesem zugeordneten Dichtungen zu verhindern. Das stirnseitige Bau­ teil soll eine Ausgestaltung aufweisen, um einen hohen Druck über einen weiten oder breiten Bereich des Blechmembran aufbringen zu können, und das kann durch die Verwendung einer zum den hohen Druck zuführenden Anschluß offenen Kammer, die den größten Teil der Fläche des Blechmembran umschließt, erreicht werden. Ein bedeutender Vorteil des oben beschriebenen Meß­ wertumformers liegt darin, daß er mit den Herstellungs­ methoden und der elektronischen Ausrüstung, wie sie bei Niederdruck-Meßwertumformer zur Anwendung kommen, verein­ bar ist. Zusätzlich wird eine hohe Zuverlässigkeit gewähr­ leistet, da die Hochdruckzone des Meßwertumformers an der flexiblen Metallmembran abgeschlossen wird, wodurch ein Schaden oder ein Fehlverhalten der Dichtungen oder anderer Bauteile des Meßwertumformers vermieden wird.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Druck- Meßwertumformers;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Schrägansicht des Um­ formers von Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Einzel­ heit aus der Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt einen Hochdruck-Meßwertumformer mit einem äußeren Gehäuseteil 12 und einem mit diesem verschweißten stirnseitigen, hoch druckfesten Bauteil 14, wobei die Schweißnaht 16 kreisförmig ausgebildet ist. Am (in Fig. 1) rechten Ende des Bauteils 14 ist ein üblicher Hochdruckanschluß 18 vorgesehen. Das stirnseitige Bauteil 14 ist mit einem Sechskant 20 versehen, um es leichter gegen eine Drehung zu sichern, wenn die Befestigungseinrichtung 22, die als ein mit einem Gewinde ausgestatteter Hochdruck- Haltering ausgebildet ist, in ihre Lage innerhalb des Gehäu­ seteils 2 geschraubt wird. Im aus den Teilen 12 und 14 be­ stehenden Gehäuse befindet sich ein Druckwandler, der eine Grundplatte 24 sowie eine relativ dicke, jedoch biegbare Zwischenwand 26 umfaßt. Diese beiden Platten 24 und 26 können beispielsweise aus Aluminiumoxid oder einem anderen isolierenden Material mit einer niedrigen mechanischen Hy­ sterese, wie Glas oder Keramik, gefertigt sein. Die Zwi­ schenplatte 26 ist an der Grundplatte 24 durch einen am Außenumfang umlaufenden Ring 28 aus einer Glasfritte be­ festigt und abgedichtet, wobei dieser Ring die beiden Platten in Abstand voneinander dicht hält.

Der Hochdruckanschluß 18 ist mit einem Durchlaß 30 verbunden, der seinerseits zu einer Kammer 32 hin offen ist. Eine dünne Metallblechmembran 34 aus rostfreiem Stahl ist in das stirnseitige Bauteil 14 konzentrisch mit Abstand zu dessen Außenumfang vertieft und der Zwischenwand 26 gegenüberliegend eingesetzt, wobei die Blechmembran 34 am Umfang mit dem stirnseitigen Bauteil 14 verschweißt wird. Die flexible Blechmembran 34 liegt unmittelbar an der keramischen Zwischen­ platte 26 an. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß die Metall­ blechmembran 34 den Hochdruckbereich, der den Durchlaß 30 sowie die Kammer 32 einschließt, vollständig abdichtet, so daß kein Hochdruckfluid in den Meßwertumformer jenseits der Membran 34 aus rostfreiem Stahl eindringen kann.

Die Zwischenplatte 26 weist bevorzugt einen Abstand von der Grundplatte 24 in der Größenordnung von 0,0254 bis 0,0762 mm auf, jedoch werden geringere oder größere Ab­ stände, wie von 0,0127 bis 0,508 mm, in Betracht gezogen.

An den einander zugewandten Flächen der Zwischenplatte 26 und der Grundplatte 24 befinden sich leitende Elektroden. Wenn durch den Anschluß 18 ein Fluid unter hohem Druck in den Durchlaß 39 gelangt, so tritt es in die Kammer 32 ein und übt einen hohen Druck auf die gesamte Fläche der Blech­ membran 34 aus rostfreiem Stahl aus. Da die Blechmembran 34 in unmittelbarer Berührung mit der Zwischenplatte 26 ist, wird diese Platte 26 einwärts gebogen, so daß die Kapazität zwischen den Metallelektroden an den Platten verändert wird.

An der (in Fig. 1) linken Seite der Grundplatte 24 ist eine kleine gedruckte Schaltungsplatte 38 angebracht, auf der der elektrische Schaltungsaufbau zur Umsetzung von Ände­ rungen in der Kapazität, die das Ergebnis von Änderungen im Abstand der Elektroden sind, in ein elektrisches Aus­ gangssignal, z.B. eine sich ändernde Spannung oder Frequenz, angeordnet ist. Dieses Ausgangssignal kann dazu verwendet werden, den dem Meßwertumformer zugeführten Eingangsdruck anzuzeigen.

Zwischen der Befestigungseinrichtung 22 und der Grundplatte 24 befindet sich ein Abstandshalter 40, der ebenfalls aus rostfreiem Stahl gefertigt sein und, wie die Fig. 2 zeigt, vorteilhafterweise eine etwas unregelmäßige Ausbildung auf­ weisen kann, um eine maximale Anlage an der Grundplatte 24 zu erlangen und dennoch keinen störenden Einfluß auf die ge­ druckte Schaltungsplatte 38 auszuüben.

Eine weitere kleine gedruckte Schaltungsplatte 42 wird inner­ halb des Gehäuses 12, 14 gehalten und dient der Energie­ zufuhr für die gedruckte Schaltungsplatte 38. Diese Schal­ tungsplatte 42 wird innerhalb der Befestigungseinrichtung 22 durch einen weiteren kleinen Haltering 44 festgehalten.

Das rückwärtige Gehäuseteil 46 ist gegenüber dem linken Ende des äußeren Gehäuseteils 12 durch einen O-Ring 48 ab­ gedichtet und wird mit Bezug zum äußeren Gehäuseteil 12 durch Quetschen der rückwärtigen Kanten dieses Gehäuseteils 12 über das rückwärtige Gehäuseteil 46 festgehalten, wie beispielsweise durch die Quetschverbindung 50 gezeigt ist.

Innerhalb des rückwärtigen Gehäusteils 46 befindet sich eine Metallplatte 52, an der durch vier Schrauben 56 die elektrische Verbinderanordnung 54 befestigt ist. Im Anschluß an den vollständigen Zusammenbau werden die Drähte 58 durch Löcher in den Köpfen der Schrauben 56 geführt, um ein mögliches Lösen der Schrauben 56 zu verhindern. Die Dichtungs­ platte 60 dichtet zwischen der Verbinderanordnung 54 und dem rückwärtigen Gehäuseteil 46 ab. Ein Siebkondensator 62 ist nahe der Metallplatte 52 angeordnet.

Damit das Innere des Hochdruckwandlers von Fig. 1 den Umgebungsdruck annehmen kann, ist ein gefilterter Luftkanal 66 vorgesehen, der den durch den Befestigungseinrichtung 22 sich ziehenden Kanal 66 und den das rückwärtige Gehäuse­ teil 46 durchsetzenden Kanal 68 umfaßt. In einer Vertiefung in der Befestigungseinrichtung 22 ist ein kleiner, kreis­ förmiger Papierfilter 72 durch eine Metallröhre 74, die sich auch in das rückwärtige Gehäuseteil 46 erstreckt und mit dem Kanal 68 verbunden ist, festgehalten.

Die Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Durchlasses 30 der Hochdruckkammer 32, der Blechmembran 34 aus rostfreiem Stahl und der Keramik- oder Aluminiumoxid-Zwischenplatte 26. In Fig. 3 ist die völlige Anlage der Blechmembran 34 an der Aluminiumoxid-Zwischenplatte 26 zu erkennen. Ferner zeigt die Fig. 3 in vergrößertem Maßstab den Glasfrittenring 28 zwischen der Zwischenplatte 26 und der Grund­ platte 24 zusätzlich zu den zwei leitenden Elektroden, die sich an den einander entsprechenden Flächen der Grundplatte 24 und der Zwischenplatte 26 befinden.

Zur Herstellung des Druck-Meßwertumformers können die Elek­ troden auf die Keramik- oder Aluminiumoxidplatten mittels eines Siebdruckvorgangs unter Verwendung einer metallischen Paste aufgebracht werden, wobei ein anschließender Brennvor­ gang die dünnen Metallschichten, die die Elektroden bilden, an den Platten festhaftend hält. Die Platten werden beide miteinander fest verbunden, abgedichtet und durch den umlau­ fenden Glasfrittering zueinander beabstandet gehalten. Der Glasfrittering kann Partikel von zwei Gläsern mit unter­ schiedlichem Schmelzpunkt enthalten. Die Partikelgröße des Glases mit höherem Schmelzpunkt dient dazu, den Abstand der Elektroden zu bestimmen, wobei ein Brennen der Glasfritte bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Glases mit dem niedrigeren Schmelzpunkt und unterhalb des Schmelzpunkts des Glases mit dem höheren Schmelzpunkt be­ werkstelligt wird. Der Abstand der Elektroden liegt vorzugs­ weise zwischen etwa 0,0127 mm und 0,508 mm, wobei ein Ab­ stand zwischen 0,0254 und 0,058 mm bevorzugt wird.

Die beschriebene Ausführungsform eines Druck-Meßwertumformers kann im Rahmen der Erfindung abgewandelt werden. So können beispielsweise der Meßwertumformer an sich und das Metallgehäuse aus anderen Materialien als den oben erwähnten gefertigt werden. Anstelle einer Herstellung der Teile aus Metall können sie in vielen Fällen aus einem hochfesten Kunststoffmaterial bestehen. Darüber hinaus kann für geeig­ nete Anlagen und Anordnungen für das Aufbringen eines Drucks auf die Blechmembran 34 anstelle des anfangs engen Durch­ gangs, wie des Durchlasses 30, der sich zur Kammer 32 hin erweitert, ein direkter Anschluß von einem Hochdruckgefäß zur Blechmembran durch eine mehr erweiterte Leitung vorge­ sehen sein.

Claims (7)

1. Druck.Meßwertumformer mit einem kapazitiven Druckwandler aus zwei eng beabstandeten isolierenden Platten (24, 26) eines Materials mit geringer mechanischer Hysterese, von denen jede an ihren einander gegenüberliegenden Flächen eine Schicht aus einem leitenden Material trägt, die ge­ ringfügig zueinander beabstandete Elektroden bilden, und von denen wenigstens eine (26) eine unter einem aufgebrachten Druck flexible Zwischenplatte ist, die sich zur anderen Platte (24) hin durchbiegt und die Kapazität zwischen den Elektroden verändert, mit einem ein Gehäuse (12, 14), das den kapazitiven Wandler hält und umschließt sowie einen Anschluß (18) zur Verbindung mit einer Quelle eines unter Druck stehenden Fluids und eine Druck­ kammer (32) mit einer der Ausdehnung der isolierenden Zwi­ schenplatte vergleichbaren Ausdehnung aufweist, und mit einer Einrichtung (22) zur Befestigung des Wandlers innerhalb des Gehäuses (12, 14), dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertumformer zur Aufnahme hohe Drücke mit einer in Einströmrichtung des Fluids vor der isolierenden, relativ dicken Zwischenplatte (26) liegenden dünnen, flexiblen Metallblechmembran (34) versehen ist, die an ihrem Umfang mit einem stirnseitigen Bauteil (14) des Gehäuses (12, 14) verschweißt sowie unmittelbar an der isolierenden Zwischenplatte (26) auf dem größten Teil deren Fläche in Anlage ist und die Druckkammer (32) dicht gegenüber den im Gehäuse aufgenommenen Wandler-Bauelementen abschließt, und daß die isolierenden Platten (24, 26) aus einem hoch druckfesten Material bestehen.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Platten (24, 26) aus Aluminiumoxid be­ stehen.

3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stirnseitige Bauteil (14) des Gehäuses und die Metallblechmembran (34) aus rostfreiem Stahl gebildet sind.

4. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Zwischenplatte (26) wenigstens 2,54 mm dick ist.

5. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallblechmembran (34) eine Dicke in der Größenordnung von 0,0762 bis 0,3048 mm aufweist.

6. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (22) einen starken Haltering umfaßt, der entfernt von dem stirnseitigen Bauteil (14) im Gehäuse festgeschraubt ist und die beiden isolierenden Platten (24, 26) fest­ hält.

7. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stirnseitige Bauteil (14) eine Schulter aufweist, an der die isolierende Zwischenplatte (26) anliegt und die eine Vertiefung hat, in der die Metallblechmembran (34) mit ihrer Oberfläche bündig zur Oberfläche der Schulter aufgenommen ist.