DE3734110A1 - Vorrichtung zur messung des druckes in fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Druckes in Flüssigkeiten, insbesondere in chemisch- aggressiven Flüssigkeiten, unter Verwendung von Drucksensoren.

Bei medizinischen Geräten, in der Kraftfahrzeugtechnik, bei Hausgeräten, bei Windstärke- und Höhenmessern, bei Umwelt­ schutz- und Wasserversorgungsgeräten, bei Füllstands-und Durch­ flußmengenmessern, bei Belüftungs- und Klimaanlagen, in der Hydraulik und Pneumatik, in der Verfahrenstechnik, bei Pumpen und Kompressoren werden Drucksensoren zur Messung des Druckes in den Flüssigkeiten verwendet. Diese Drucksensoren arbeiten als Absolut-Druckaufnehmer in Bezug auf eine Vakuum-Referenz, als Unter- und Überdruckaufnehmer gegen den Umgebungsdruck oder als Differenzdruckaufnehmer gegen zwei zugeführte Drücke.

Es ist bekannt, daß derartige Drucksensoren häufig zur Messung des Druckes in aggressiven Flüssigkeiten nicht geeignet sind, so daß die Hersteller hinsichtlich der Medienverträglichkeit der Drucksensoren regelmäßig darauf verweisen, daß diese Angaben nur unter genauer Spezifikation der zu messenden aggressiven Flüssigkeiten gemacht werden können. Diese Medienverträglichkeit der eingesetzten Drucksensoren ist sehr wesentlich, da viele aggressive Flüssigkeiten die Drucksensoren, z.B. deren Dichtungen, zerstören können, so daß diese unbrauchbar werden.

Derartige Vorrichtungen zur Messung des Druckes in Flüssigkei­ ten, insbesondere in chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, unter Verwendung von Drucksensoren, werden insbesondere auch in Geräten zur Molekulargewichtsbestimmung im klinischen und analytisch-chemischen Bereich unter Verwendung eines Osmo­ meters oder eines Viskometers benötigt. Bei einem aus der DE-OS 29 14 213 vorbekannten Osmometer für die Bestimmung des osmotischen Druckes in kolloidalen Lösungen befindet sich der Drucksensor im unteren Meßkopfabschnitt unterhalb der in dem Meßkopf eingespannten osmotischen Membran. Dabei wird der Drucksensor in Berührungskontakt mit einer in die Kammer unterhalb der Membran eingespritzten Salzlösung gebracht, welche eine chemisch-aggressive Flüssigkeit dar­ stellt. Diese kann unter Zerstörung der Dichtungen in den Drucksensor eindringen, woraufhin dieser unbrauchbar wird. Darüber hinaus ist der Drucksensor selbst unmittelbar in das Osmometer eingebaut, so daß der Drucksensor zusätzlich thermisch belastet ist. Schließlich besteht noch die Gefahr der Zerstörung des Drucksensors beim Einfüllen bzw. Absaugen der Salzlösung in den bzw. aus dem unteren Meßkopfabschnitt.

Der Erfindung liegt von daher die Augabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Messung des Druckes in Flüssigkeiten, insbeson­ dere in chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, unter Verwendung von Drucksensoren zu schaffen, wobei die Drucksensoren selbst weder chemisch, noch thermisch und mechanisch von der aggres­ siven Flüssigkeit beaufschlagt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß inner­ halb einer Druckmeßzelle ein von einem Diaphragma in zwei flüs­ sigkeitsdicht voneinander getrennte Kammern unterteilter Druckmeß­ raum vorgesehen ist, daß die eine Kammer mit zwei Anschlüssen zur Zu- bzw. Abfuhr der Flüssigkeit versehen ist, und daß die andere Kammer mit einem Anschluß für den Drucksensor ver­ sehen und mit einem flüssigen Druckübertragungsmedium ange­ füllt ist. Hierdurch wird erreicht, daß der Drucksensor selbst nicht mehr in Berührungskontakt mit der Flüssigkeit, insbe­ sondere der chemisch-aggressiven Flüssigkeit kommt, so daß der Drucksensor weder chemisch noch thermisch und mechanisch von der Flüssigkeit, insbesondere der chemisch-aggressiven Flüssigkeit, belastet wird. Der Drucksensor ist somit in vollem Umfange medienverträglich und kann somit bei allen Flüssigkeiten, auch bei chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, ohne Gefahr einer Beeinträchtigung oder Zerstörung einge­ setzt werden. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung in Osmometern oder Viskometern wird die Druckmeßzelle selbst außerhalb des Osmometers bzw. Viskometers angeordnet, wobei ein Flüssigkeits-Anschluß der Druckmeßzelle mit der Unter­ seite der osmotischen Membran des Meßkopfes über eine Ka­ pillare, insbesondere einen Teflonschlauch, und der andere Flüssigkeitsanschluß über eine weitere Kapillare mit einem Entlüftungsport verbunden sind.

In weiterer Ausbildung der Erfindung sind zur Differenzdruck­ messung zwei Druckmeßzellen vorgesehen, deren zu den mit dem flüssigen Druckübertragungsmedium angefüllten Kammern führende Anschlüsse mit einem gemeinsamen Drucksensor ver­ sehen sind. Die Flüssigkeitsanschlüsse der anderen Kammern sind dann jeweils über Kapillaren mit den Geräten verbunden, deren zugeführte Drücke bei der Differenzdruckmessung zu verarbeiten sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Diaphragma eine Teflonmembran. Als Drucksensor für die Unter- oder Überdruckmessung gegen den Umgebungsdruck dient ein piezoresistiver Drucksensor der Serie 120 PC von Honey­ well. Als gemeinsamer Drucksensor bei der Differenzdruck­ messung wird ein Drucksensor SX 01 oder SX 05 von SEN-SYM verwendet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von zwei in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispielen von Vorrichtungen zur Messung des Druckes in Flüssigkeiten, insbesondere in chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, unter Verwendung von Drucksensoren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Osmometer mit ange­ schlossener Druckmeßvorrichtung,

Fig. 2 ein Viskometer mit angeschlossener Differenz­ druckmeßvorrichtung und

Fig. 3 die Brückenschaltung des Viskometers gemäß Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt in ihrem oberen Teil einen Querschnitt durch ein Osmometer 30 zur Bestimmung des osmotischen Druckes in kolloidalen Lösungen. Dabei ist nur das Zellenunterteil 1 der Membrankammer 2 dargestellt, wobei das Zellenunterteil 1 von einem Innengehäuse 3 aufgenommen ist, das außen von einer Heizeinrichtung 4 umgeben ist. Das Innengehäuse 3 ist wiederum von einem Außengehäuse 5 aufgenommen. Zwischen Innen- und Außengehäuse 3 bzw. 5 ist eine Wärmeisolierung 6 angebracht.

In das Zellenunterteil 1 ist von unten eine Schraubbüchse 7 mittels eines von Hand oder mit einem Werkzeug betätig­ baren Kopfteiles 8 eingeschraubt, wobei durch die Schraub­ hülse 7 und das Kopfteil 8 eine Durchgangsbohrung 9 verläuft. In die Durchgangsbohrung 9 ist eine Kapillare 10 flüssigkeitsdicht eingesetzt, welche zur Membrankammer 2 geführt ist. Die Kapillare 10 besteht insbesondere aus einem Teflonschlauch. Die Kapillare 10 ist durch den Boden des Innengehäuses 3 , durch die Wärme­ isolierung 6 und den Boden des Außengehäuses 5 hindurch­ geführt und mündet in einem Anschlußstutzen 11, der in das Oberteil 12 einer Druckmeßzelle 13 eingeschraubt ist.

Die Druckmeßzelle 13 besteht aus dem Oberteil 12 und dem Unterteil 14 , welche durch Schrauben 15 fest mitein­ ander verbunden sind. In der Teilungsebene ist ein Diaphragma 16 in Form einer Teflonmembran eingespannt. Zu beiden Seiten des Diaphragmas 16 sind durch dieses flüssigkeitsdicht voneinander getrennte Kammern 17, 18 im Oberteil 12 bzw. Unterteil 14 der Druckmeßzelle 13 vorgesehen, welche Kammern 17, 18 einen Druckmeßraum 19 bilden.

In die Kammer 17 im Oberteil 12 mündet die Kapillare 10 über den Anschlußstutzen 11 in einer Anschlußbohrung 20. Über eine weitere Anschlußbohrung 21 und einen darin ein­ geschraubten Anschlußstutzen 22 ist eine weitere Kapillare 23 mit der Kammer 17 im Oberteil 12 der Druckmeß­ zelle 13 verbunden. Diese weitere Kapillare 23 führt zu einem Entlüftungsport 24 , der aus einem mit einem verschließ­ baren Ventil versehenen Anschlußstutzen gebildet ist. Über die Kapillare 10 kann somit von der Membrankammer 2 des Osmo­ meters 30 ein in diese eingespritztes Referenz-Lösungsmittel in die Kammer 17 des Oberteils 12 der Druckmeßzelle 13 geführt werden. Über die weitere Kapillare 23 besteht eine Verbindung der Kammer 17 zum Entlüftungsport 24.

Die im Unterteil 14 der Druckmeßzelle 13 im Bereich des Diaphragmas 16 ausgebildete Kammer 18 ist über einen An­ schluß 25 mit einem Drucksensor 26 versehen, der in eine Bohrung 27 des Unterteiles 14 eingeschraubt ist. Dichtungen 28 sorgen für eine sichere Abdichtung der Bohrung 27.

In die Kammer 18 im Unterteil 14 und in die Anschluß­ bohrung 25 ist ein flüssiges Druckübertragungsmedium, insbesondere Siliconöl, eingefüllt, das zum Drucktransfer des in der Kammer 17 herrschenden Flüssigkeitsdruckes zum Drucksensor 26 dient.

Als Drucksensor 26 wird ein piezoresistiver Drucksensor der Serie 120 PC von Honeywell verwendet, dessen einge­ bauter Siliciumchip mit eingeätzter Membran eine brummfreie, druckproportionale Ausgangsspannung an der Meßleitung 29 liefert.

Die beschriebene Vorrichtung zur Messung des Druckes in Flüssigkeiten, insbesondere in chemisch-aggressiven Flüssig­ keiten, eines Osmometers 30 unter Verwendung des Drucksensors 26 hat folgende Vorteile. Zunächst wird eine thermische Entkoppelung des Drucksensors 26 durch das in die Kammer 18 eingefüllte flüssige Druckübertragungsmedium, insbe­ sondere Siliconöl, erreicht. Der Drucksensor 26 steht nicht mehr mit der in die Kammer 17 eingefüllten chemisch­ aggressiven Flüssigkeit in Verbindung, welche als Referenz­ lösungsmittel in der Membrankammer 2 vorhanden ist. Das Druckübertragungsmedium wird im Vakuum eingefüllt. Die Ver­ schraubungen 15 der Druckmeßzelle 13 sollten daher nicht mehr gelöst werden. Danach ist eine mechanische Entkoppelung des Drucksensors 26, von dem mit der Membrankammer 2 ver­ sehenen Zellenunterteil 1 bzw. der gesamten Meßzelle des Osmo­ meters 30 erreicht. Dies hat den Vorteil, daß der Drucksen­ sor 26 beim Entlüften des Systems nicht mehr zerstört wird. Es besteht eine hohe Unempfindlichkeit gegen einen Überdruck. Während der ersten Spannphase der in die Meßzelle des Osmo­ meters eingesetzten Membran 31 kann die durch die Membran 31 ver­ drängte Flüssigkeit über den Entlüfungsport 24 abgelassen werden. Damit wird der Spannvorgang zeitlich verkürzt. Ferner wird die Membran 31 nicht mehr so stark gedehnt und be­ wahrt damit die Schnelligkeit der ungespannten Membran 31. Während des letzten Spannschrittes muß dann jedoch ein am Entlüftungsport 24 angebrachter Blindstopfen geschlossen werden. Ferner ist es prinzipiell möglich, einen Austausch des Referenzlösungsmittels durch Spülung des Zellenunter­ teils 1 vorzunehmen. Dies ist jedoch zeitaufwendig, da der Austausch des Referenzlösungsmittels durch die Membrane 31 erfolgen muß. Durch die Verwendung von Teflon sowie Arnite und Edelstahl für die Bauteile der Druckmeßzelle 13 er­ geben sich keinerlei Einschränkungen bezüglich der zu ver­ wendenden Referenzlösungsmittel. Dies bedeutet, daß die Druckmeßzelle 13 mit ihrem Drucksensor 26 unbeschränkt medienverträglich ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein differentielles Refraktometer/ Viskometer 4 o mit angeschlossener Differenzdruckmeßvorrich­ tung. Diese umfaßt zwei Gruppen I, II von je zwei Druckmeß­ zellen 13′, 13′′ bzw. 13′′′, 13 ^IV, die jeweils entspre­ chend der Druckmeßzelle 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ausgebildet sind. Die Zusammenschaltung je zweier Druckmeßzellen 13′, 13′′ bzw. 13′′′, 13 ^IV dient zur Differenz­ druckmessung mittels zweier Drucksensoren 26′ bzw. 26′′, die zwischen je zwei Druckmeßzellen 13′, 13′′ bzw. 13′′′, 13 ^IV eingesetzt sind. Die Drucksensoren 26′, 26′′ sind zwischen den Unterteilen 14 der Druckmeßzellen 13′, 13′′ bzw. 13′′′, 13 ^IV mittels Dichtungen 28′ eingesetzt, wobei die Kanäle 25′ von den jeweiligen, mit einem Druckübertragungsmedium, insbesondere Siliconöl, angefüllten Kammern 18′ den Druck in der jeweiligen Druckmeßzelle 13′, 13′′, 13′′′, 13 ^IV auf die Drucksensoren 26′, 26′′ übertragen. Als Drucksen­ soren werden hierbei die Typen SX0l oder SX05 der Firma SEN-SYM verwendet.

Wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, ist ein Eingangsport 45 für die Probe unmittelbar an ein T-Kupplungsstück 41 ange­ schlossen, von dem zwei kapillare Leitungswege ausgehen. Der Leitungsweg für die unverdünnte Probe führt über eine Kupplung 49 zur Kompensation des Volumeneffektes der Kapillar­ leitungen und über eine Widerstands-Kapillare 50 zur Proben- Küvette 51, welche innerhalb des Refraktometers 52 angeordnet ist. Die kapillare Leitung führt anschließend über ein weiteres T-Kupplungsstück 43 und ein Kompensationsgefäß 47 sowie eine weitere Widerstands-Kapillare 53 zu einem Kreuzverbindungs­ stück 44, an welchem die unverdünnte Probe mit der mit Lösungs­ mittel verdünnten Probe zusammengeführt wird.

Vom ersten T-Kupplungsstück 41 wird ein Teilstrom der Probe über ein Rückhaltgefäß 48 geführt und mit Lösungsmittel ver­ dünnt über eine Widerstands-Kapillare 54 der im Refraktometer 52 angeordneten Referenzlösungsmittel-Küvette 55 zugeführt. Anschließend fließt die mit Lösungsmittel verdünnte Probe über ein T-Kupplungsstück 42, sowie eine vierte Widerstands-Kapillare 56 ebenfalls zum Kreuzverbindungsstück 44.

An das T-Kupplungsstück 43 im Kapillarweg für die unverdünnte Probe ist der Differenzialdruckmesser Δ P + angeschlossen, welcher der Druckmeßzelle 13′′ entspricht. Diese ist ferner an den im Betriebszustand geschlossenen Entlüftungsport 24′′ angeschlossen.

Das T-Kupplungsstück 42 in der anderen Kapillarleitung, in welcher das mit Lösungsmittel verdünnte Probematerial fließt, ist an den Differenzialdruckmesser Δ P - ange­ schlossen, welcher der Druckmeßzelle 13′ entspricht. Der Ausgang ist mit dem Einlaßdruck- Druckaufnehmer Pi + verbunden, welcher der Druckmeßzelle 13′′′ entspricht. Diese ist über eine weitere Schlauchleitung mit dem im Meßzustand geschlossenen Entlüftungsport 24′′′ verbunden.

Das Kreuzverbindungsstück 44 ist einerseits über den Auslaß­ druck- Druckaufnehmer Pi - , welcher der Druckmeßzelle 13 ^IV entspricht, mit einem im Betriebszustand geschlossenen Entlüftungsport 24 ^IV und andererseits unmittelbar mit dem Ausgang 46 zu einem Abfallgefäß für die Probe verbunden.

Die voranstehend anhand der Fig. 3 erläuterte Meßbrücken­ schaltung ist in Fig. 2 im Ausführungsbeispiel näher dar­ gestellt, wobei noch die Meßleitungen 29′ und 29′′ der Drucksensoren 26′ bzw. 26′′ dargestellt sind. Diese führen die Meßsignale des Differentialdruckmessers 13′, 13′′, nämlich Δ P- und Δ P+, und die Meßsignale des Druckaufnehmers 13′′′, 13 ^IV, nämlich Pi+ und Pi-, zu nicht näher dargestellten Aus werte- und Anzeigegeräten im Viskometer 40. Die beiden Druckmeßzellen 13′, 13′′ und 13′′′, 13 ^IV der beiden Gruppen I und II sind jeweils mechanisch starr über Schrauben 15 mit­ einander verbunden , wodurch die jeweiligen Drucksensoren 26′ und 26′′ unter Einspannung der Dichtungen 28′ festgelegt sind . Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung hat im wesentlichen diegleichen Vorteile , welche zur Vor­ richtung gemäß Fig. 1 beschrieben worden sind . Durch die geschickte Zusammenschaltung zweier Druckmeßzellen 13 zu einer Gruppe I bzw. II von Druckmeßzellen wird die Mög­ lichkeit der Differenzdruckmessung geschaffen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung des Druckes in Flüssigkeiten, insbesondere in chemisch-aggressiven Flüssigkeiten, unter Verwendung von Drucksensoren, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Druckmeßzelle (13) ein von einem Diaphragma (16) in zwei flüssigkeitsdicht voneinander getrennte Kammern (17, 18) unterteilter Druckmeßraum (19) vorgesehen ist, daß die eine Kammer (17) mit zwei Anschlüssen (11, 22) zur Zu- bzw. Abfuhr der Flüssigkeit versehen ist und daß die andere Kammer (18) mit einem Anschluß (25) für den Drucksensor (26) versehen und mit einem flüssigen Druckmittel­ übertragungsmedium ausgefüllt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Differenzdruckmessung zwei Druckmeßzellen (13′, 13′′) vorgesehen sind, deren Anschlüsse (25′, 25′′) zu den mit dem Druckübertragungsmedium angefüllten Kammern (18′, 18′′) mit einem gemeinsamen Drucksensor (26′) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (16) eine Teflonmembran ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Drucksensor (26) ein piezoresistiver Drucksensor der Serie 120 PZ von Honeywell verwendet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gemeinsamer Drucksensor (26′) ein Drucksensor SX01 oder SX05 der Firma SEN-SYM verwendet ist.