DE4025664C1 - Pressure pick-up esp. for processing chamber or burner - has connecting rod inside transmitting chamber between facing sides of measurement and transmitting diaphragms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer zur Druckmessung in einem Prozeßraum, insbesondere bei höheren Temperaturen des Prozeßmediums, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einfachen Druckmeßaufnehmern ohne Druckmittler grenzt die Meßmembran direkt an den Prozeßraum an. Auf der dem Prozeßraum abgewandten Seite ist eine Kraftmeßeinrichtung, beispielsweise ein Biegebalken, an die Meßmembran angekoppelt. Die Meßmembran muß daher außer ihrer Meßfunktion auch noch eine Schutzfunktion für die Kraftmeßelemente gegenüber dem im Prozeßraum vorhande­ nen Medium übernehmen. Daraus resultiert eine starke Ein­ schränkung in der Wahl des Materials für die Meßmembran. Außer­ dem entsteht bei höheren Temperaturen des Prozeßmediums zusätz­ lich die Schwierigkeit, daß die Kraftmeßelemente bzw. ein dem Prozeßraum an der Meßmembran gegenüberliegender Meßraum von der Temperatur im Prozeßmedium beeinflußt wird. Bei höheren Tempera­ turen des Prozeßmediums können schließlich zusätzlich zu temperaturschwankungsbedingten Meßfehlern insbesondere die Genauigkeit von Unterdruckmessungen beeinträchtigende Aus­ gasungen der Werkstoffe im Meßraum auftreten.

Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt, zwischen Prozeßraum und Meßmembran einen Druckmittler einzuschalten, der im wesentlichen aus einer an den Prozeßraum angrenzenden Über­ tragungsmembran und einem zwischen Übertragungs- und Meßmembran angeordneten Übertragungsraum besteht. Eine hydraulische Fül­ lung des Übertragungsraums, vorzugsweise durch Silikonöl, kop­ pelt die beiden Membranen und dient somit als Kraftübertra­ gungseinrichtung von der Übertragungs- auf die Meßmembran. Sol­ che Meßaufnehmer mit Druckmittler sind sowohl zur Absolutdruck­ messung als auch zur Difierenzdruckmessung, hier beispielsweise aus der DE-OS 36 21 795, bekannt.

Mit dieser Maßnahme läßt sich zwar die Meßmembran vom Prozeß­ medium unabhängig gestalten und es lassen sich auch die Ausga­ sungen im Meßraum in Grenzen halten, jedoch treten Meßfehler aufgrund der thermischen Ausdehnung des lediglich durch die Übertragungsmembran vom Prozeßraum getrennten Übertragungsflu­ ids auf. Zudem ist das dynamische Meßverhalten unbefriedigend, da die Meßwertübertragung wegen Dämpfungseffekten im Übertra­ gungsfluid verzögert erfolgt. Bei Temperaturen des Prozeßmedi­ ums von über 100°C kommt es schließlich zu Ausgasungen im Über­ tragungsfluid mit damit verbundenen unvorhersagbaren Meßwertab­ weichungen, wobei bei vermehrter Ausgasung die hydraulische Übertragung letztlich gänzlich abreißt. Dieser Temperaturbe­ reich des Prozeßmediums bildet daher eine obere Einsatzgrenze dieser bekannten Meßaufnehmer, insbesondere für empfindliche Unterdruckmessungen.

Ein gattungsgemäßer Meßaufnehmer ist aus der US 22 60 837 bekannt. Die Stange ist dort durch die Meßmembran hindurch in den Meßraum geführt und betätigt dort einen Meßarm. Als Schutz vor schädlichen Temperatureinflüssen ist zwischen Übertragungs­ membran und zugeordnetem Stangenende eine Auflage aus wärmeisolierendem Material vorgesehen. In einem in der DE 38 33 456 A1 beschriebenen Druckaufnehmer wird Temperatureinflüssen dadurch vorgebeugt, daß eine das Meßsystem umgebende, gut wärmeleitfähige Hülse eingefügt ist, die für eine gute Wärme­ ableitung sorgen soll.

Bei einem aus der DE 24 57 138 A1 bekannten Sicherheitsdruck­ fühler sind eine Meß- und eine Sicherheitsmembran mit unter­ schiedlichen Druckflächen vorgesehen, wobei ein die Sicher­ heitsmembran durchdringender Stößel, in dem ein Schaltstift festgelegt ist, die beiden Membranen koppelt. Um bei längerer Betriebsdauer eine Beschädigung, d. h. ein Leck, an einer der Meßmembranen feststellen und den Sicherheitsschalter auslösen zu können, ist der Raum zwischen den beiden Membranen evakuiert, so daß es dort bei Auftreten eines Membranlecks zu einem Druckanstieg kommt, welcher den Sicherheitsschalter auslöst.

Bei einem Druckmeßumformer für Meßmedien hoher Temperatur nach der DE-AS 19 48 191 ist die Übertragungsmembran über eine Kapillarleitung mit einer Trennmembran verbunden, wobei die Kapillarleitung ein druckübertragendes Fluid enthält. Auf der gegenüberliegenden Seite der Trennmembran ist die Meßmembran angeordnet, wobei zwischen den beiden letztgenannten Membranen ein mit Silikonöl als Druckübertragungsfluid befüllter Raum gebildet ist. Auf der davon abgewandten Seite der Meßmembran ist dann die Meßsensorik angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmeßauf­ nehmer zu schaffen, der auch bei sehr hohen Temperaturen des Prozeßmediums über 100°C und auch im Unterdruckbereich zuver­ läßig arbeitet und dennoch einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird für einen Meßaufnehmer der eingangs genann­ ten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Evakuierung des Übertragungsraums bewirkt eine weitestge­ hende thermische Entkopplung von Prozeßraum und Meßraum. An­ statt der nicht temperaturbeständigen hydraulischen Kraftüber­ tragung dient hierzu eine die beiden Membranen verbindende Stange. Der Meßaufnehmer ist deshalb auch bei sehr hohen Temperaturen des Prozeßmediums noch sehr gut funktionsfähig. Die Vorteile bekannter, hydraulisch betriebener Druckmittler, insbesondere die Abkopplung von Meßmembran und Meßraum vom Prozeßraum, bleiben voll erhalten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auch der Meßraum evakuiert ist, vorzugsweise auf etwa denselben Druck wie der Übertragungsraum. Damit herrscht in etwa Druckgleich­ gewicht auf beiden Seiten der Meßmembran, wodurch diese nicht auf eine dauernd wirkende Druckbelastung auch bei Null-Lage des Instruments hin ausgelegt zu werden braucht.

Vorteilhaft ist es, das Volumen des Übertragungsraums im Ver­ gleich zu demjenigen des Meßraums möglichst groß zu wählen, da­ mit Ausgasungen der Werkstoffe innerhalb des temperaturbelaste­ ten Übertragungsraums bzw. geringfügige Leckraten (kleiner als 1×10^-10bar cm³/s) nicht zu meßbaren Druckkräften an der Meß­ membran führen.

Ein besonders einfaches Übertragungsverhalten ergibt sich, wenn die Meßmembran dieselbe Druck/Kraft-Charakteristik besitzt wie die Übertragungsmembran.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Meßaufnehmer für eine Absolutdruckmessung dergestalt eingerichtet, daß im Meßraum ein an die Meßmembran angekoppeltes Biegeelement mit Dehnmeßstreifen angeordnet ist. Das Biegeelement bzw. die Dehn­ meßstreifen bleiben somit auch von hohen Temperaturen des Pro­ zeßmediums unbeeinflußt. Hierzu trägt auch die Maßnahme bei, die Verbindungsstange aus einem Material mit geringer Wärme­ leitfähigkeit zu fertigen.

Für die Übertragungseigenschaften wirkt es sich des weiteren günstig aus, wenn die Verbindungsstange und das umgebende Meß­ aufnehmergehäuse denselben Wärmeausdehnungskoeffizient be­ sitzen, so daß in beiden Teilen vergleichbare Längenänderungen auftreten, was die Druckmessung weitestgehend unbeeinflußt läßt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben. Die einzige Figur zeigt einen Absolutdruck-Meßaufnehmer mit zylind­ rischem Übertragungsraum im Längsschnitt.

Ein Meßaufnehmer (1) zur Absolutdruckmessung ist als um seine Längsachse (2) rotationssymmetrisches Bauteil ausgeführt. Er ist an seinem einen Ende mit einer kreisförmigen Übertragungs­ membran (3) versehen, die an ihrem Rand von einem Flansch (12) gehalten ist, mit dem der Meßwertaufnehmer (1) in nicht ge­ zeigter Weise an einen Prozeßraum so anschließbar ist, daß die Übertragungsmembran (3) mit der Druckkraft des Prozeßmediums beaufschlagt wird. Auf der anderen, dem Flansch (12) zuge­ wandten Seite der Übertragungsmembran (3) ist in eine mittige Bohrung (19) eines Membrananschlußteils (18) ein Ende einer Verbindungsstange (4) eingesteckt, die mit Spiel durch eine mittige Bohrung des Flansches (12) durchgeführt ist. Die Verbindungsstange (4) durchquert einen an den Flansch (12) anschließenden zylindrischen Hohlraum (6), der am anderen Ende von einer Kappe (14) begrenzt ist. Die Kappe (14) besitzt eine Axialbohrung (15), innerhalb der das andere Ende der Verbin­ dungsstange (4) mit einem axialen Anschlußstift (16) einer Meßmembran (5) verbunden ist. Die den zylindrischen Hohlraum (6) abschließende Kappe (14) weist zudem eine radial verlaufen­ de Bohrung (8) auf, durch welche der gesamte, den Übertragungs­ raum (17) bildende Zwischenraum zwischen der Übertragungsmem­ bran (3) und der Meßmembran (5) evakuierbar ist. An die Kappe (14) ist ein Flansch (13) angeschweißt, auf dessen gegenüber­ liegender Seite die Meßmembran (5) am Umfang gehalten ist. Der Flansch (13) weist ebenfalls eine axiale Bohrung auf, durch die der Anschlußstift (16) der Meßmembran (5) mit Spiel durchge­ führt ist. Auf der anderen Seite der Meßmembran (5) schließt sich ein Meßraum (7) an, der über eine Anschlußleitung (9) evakuierbar ist und in an sich bekannter, nicht näher gezeigter Weise eine an die Meßmembran (5) angekoppelte Kraftmeßeinrich­ tung in Form eines Biegeelementes mit Dehnmeßstreifen enthält. Durch die Evakuierung auch des Meßraums (7) herrscht auf beiden Seiten der Meßmembran (5) in etwa derselbe Gasdruck, so daß die Meßmembran (5) nicht von einem Differenzgasdruck zusätzlich zum Druck über die Verbindungsstange (4) beaufschlagt ist. Außerdem lassen sich so eventuelle Temperatureinflüsse auf den Meßbraum (7) reduzieren.

Mit dieser Anordnung läßt sich eine Absolutdruckmessung eines die Übertragungsmembran (3) beaufschlagenden Prozeßmediums durchführen. Dabei bildet der zwischen der Übertragungsmembran (3) und der Meßmembran (5) angeordnete Teil des Meßaufnehmers (1) einen Druckmittler, mit dem die Meßanordnung weitgehend un­ beeinflußt von Temperatureffekten im Prozeßmedium bleibt. We­ sentlich ist hierzu der evakuierte, vergleichsweise großvolu­ mige Übertragungsraum (17) mit einem so großen Volumen, daß Ausgasungen angrenzender Oberflächen zu keiner nennenswerten Druckveränderung führen. Die Verbindungsstange (4) ist von zwei Führungen (10, 11) axial beweglich gehalten, die jeweils an den dem zylindrischen Hohlraum (6) zugewandten Seiten des Flansches (12) bzw. der Kappe (14) angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Verbindungsstange (4) aus einem Material mit sehr geringer thermischer Leitfähigkeit ausgeführt, um die Temperaturbeein­ flussung des Übertragungsraums (17) bzw. der Meßmembran (5) und des Meßraums (7) durch eine möglicherweise sehr hohe Temperatur des Prozeßmediums so gering als möglich zu halten. Zur Gewähr­ leistung eines die Druckmessung am wenigsten beeinflußenden gleichmäßigen Wärmeausdehnungsverhaltens ist das Druckmittler­ gehäuse, also insbesondere der Flansch (12), die Kappe (14) und der dazwischenliegende Zylindermantel, aus einem Material gefertigt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient etwa dem der Ver­ bindungsstange (4) entspricht.

Es versteht sich, daß auch Meßaufnehmer für eine Differenz­ druckmessung mit derartigen, evakuierten Übertragungsräumen bzw. auch evakuierten Meßräumen ausgestattet sein können. Bei derartigen Meßaufnehmern schließt sich dann auf der anderen Seite des Meßraums eine weitere, in Richtung eines Prozeßraums eines zweiten Prozeßmediums gerichtete Meßmembran an, die mit der ersten Meßmembran (5) gekoppelt ist. Dabei ist es schließ­ lich auch möglich, evakuierte Übertragungsräume in Richtung beider Prozeßräume hin anzuordnen.

Claims (8)

1. Meßaufnehmer zur Druckmessung in einem Prozeßraum, insbesondere bei höheren Temperaturen des Prozeßmediums, mit
einer Meßmembran, an deren eine Seite in einem angrenzenden Meßraum Kraftmeßelemente angekoppelt sind, und mit
einem an die andere Seite der Meßmembran angrenzenden Druck­ mittler, der eine an den Prozeßraum angrenzende Übertragungs­ membran, einen zwischen Übertragungsmembran und Meßmembran an­ geordneten Übertragungsraum sowie eine die beiden Membranen koppelnde Stange (4) beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Stange (4) innerhalb des Übertragungsraums zwischen den einander zugewandten Seiten der beiden Membranen erstreckt und
der Übertragungsraum (17) evakuiert ist.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßraum (7) evakuiert ist.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßraum (7) und im Übertragungsraum (17) etwa derselbe Druck herrscht.

4. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Übertragungsraums (17) we­ sentlich größer als dasjenige des Meßraums (7) ist.

5. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembran (5) dieselbe Druck/Kraft- Charakteristik besitzt wie die Übertragungsmembran (3).

6. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßraum (7) ein mit der Meßmembran (5) verbundendes Biegeelement mit Dehnmeßstreifen angeordnet ist.

7. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (4) aus einem Mate­ rial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist.

8. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstange (4) und ein den Über­ tragungsraum (17) umgebendes Gehäuse denselben Wärmeausdehnungs­ koeffizient aufweisen.