-
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet,
welches sich mit dem Messen des Drucks von flüssigen,
gasförmigen oder sogar pastenartigen Fluiden innerhalb einer
abgeschlossenen Anlage oder eines Zirkulationsnetzwerks
befaßt, z.B. in Kreisanlagen oder Rohrleitungen zum Zuführen,
Leiten oder Liefern eines gegebenen Fluids zu einem
Speicher, Verwender oder einer Verbrauchseinrichtung.
-
Einer bevorzugten Anwendung gemäß betrifft die Erfindung
insbesondere das Gebiet der Druckmessung innerhalb der
Ummantelungen von Bohrlöchern oder denjenigen zur Gewinnung
von Erdölprodukten.
-
Auf diesem Gebiet beschreibt die USP 4 527 430 einen Sensor,
welcher eine Kolben-Federanordnung umfaßt.
-
Diese Druckschrift offenbart einen Druckgeber, welcher auf
dem Flansch einer Rohrleitung festzuklemmen ist und einen
Umfangsbund aufweist, welcher zwei Auflageflächen festlegt,
deren Ebene orthogonal zu der Drehachse des Geberkörpers
ist.
-
Eine weitere Klasse von Druckgebern verwendet eine
druckempfindliche Membran. Diese Klasse von Sensoren des Stands
der Technik wird im folgenden diskutiert.
-
Um den Druck eines gegebenen Fluids zu messen, welches sich
in der Ummantelung eines Lochs, insbesondere eines
Ölbohrlochs, befindet, ist es gebräuchlich, eine Anordnung des in
Figur 1 dargestellten Typs zu verwenden, wobei Figur 1 eine
schematische Darstellung des Stands der Technik ist. Eine
derartige Anordnung verwendet eine Ummantelung 1, deren
oberes Ende einen Flansch 2 aufweist, welcher außen
Befestigungsmittel 3 umfaßt, die vorzugsweise von einem äußeren
Schraubgewinde gebildet sind.
-
Die Ummantelung 1 begrenzt innen und im wesentlichen in der
Flanschebene einen Rand 4, welcher zum Tragen einer
kompakten und elastisch verformbaren Dichtung 5 vom Ringtyp
bestimmt ist. Der Rand 4 ist über eine kegelstumpfförmige
Lagerfläche 6 mit dem Querrand 7 des Flansches 2 verbunden.
-
Die Anordnung umfaßt einen Druckgeber 8, dessen Körper eine
Basis 9 vom Ringtyp bildet, welche von einer Membran 10 zum
Aufnehmen oder Tragen eines Sensors 11 verschlossen ist,
wobei der Sensor 11 eine über Leitungen 12 mit einer
Signalverarbeitungseinrichtung verbundene Dehnungsmeßeinrichtung
aufweist. Die ringförmige Basis 9 umfaßt eine Ebene 13,
gegen welche die Dichtung 5 anliegt und gedrückt wird. Die
Ebene 13 ist mit einer sphärischen Lagerfläche 14 verbunden,
welche dazu ausgebildet ist, zum Zentrieren oder zum
Abdichten mit der Lagerfläche 6 durch die Wirkung eines
Festlegungs- oder Festklemmelements 15 zusammenzuwirken, wobei das
Element 15 über einen Rand 16 auf eine Auflagefläche 17 der
Basis einwirkt.
-
Das Element 15 wird vorzugsweise von einer Mutter gebildet,
welche auf den Flansch 2 aufschraubbar ist.
-
Nach dem Zusammenbau bewirkt das Fest ziehen des Elements 15
in erster Linie eine axiale Verlagerung des Gebers bis zu
dem Punkt, an welchem die Dichtung 5 derart zusammengedrückt
wird, daß die Lagerflächen 6 und 14, deren Funktion das
Zentrieren des Gebers in dem Flansch 2 ist, in Kontakt kommen
können. Die zum Erzielen der obigen beiden Funktionen
erforderliche Festziehwirkung kann entweder durch Verwendung
eines Schraubenschlüssels oder Verwendung eines Fäustels
erreicht werden, so wie es an einer Montage- bzw. Baustelle
üblich ist.
-
Als Ergebnis des über den Rand 16 einen Axialdruck
erzeugenden maximalen Festziehens wird der Körper des Gebers durch
das Zusammenwirken zwischen den Lagerflächen 6 und 14 einer
Belastung ausgesetzt. Tatsächlich erzeugt die axiale
Festziehkraft in der Richtung des Pfeils f1 eine Radialbelastung
in der Richtung der Pfeile f2 an der ringförmigen Basis 9,
wodurch bewirkt wird, daß sich die Membran 10 in der
Richtung des Pfeils f3 biegt. Zu diesem sollte eine auf die
Basis 9 durch das Festklemmelement 15 ausgeübte
Torsionsbelastung addiert werden.
-
Es ist verständlich, daß diese aufgrund mangelnder
Steuerungsmöglichkeiten der Bedingungen des Festziehens und des
Zustands der Berührungsflächen nicht präzise abschätzbaren
Belastungen Schritte notwendig machen, um die durch die
Biegung der Membran 10 verformte Dehnungsmeßeinrichtung zu
kalibrieren oder ihre effektive Nulleinstellung
sicherzustellen.
-
Die zum Kalibrieren oder auf Null setzen des Gebers
verwendeten Mittel führen in der Praxis dazu, daß es nicht möglich
ist, einer Abdrift in den Messungen entgegenzuwirken, welche
selbst bei identischen Meßbedingungen zu im Laufe der Zeit
nicht reproduzierbaren Ergebnissen führen.
-
Deshalb wird für gewöhnlich eine Art Hysterese in der
Ansprechkurve der Druckmessungen zwischen einer Meßphase mit
zunehmendem Druck und einer Meßphase mit abnehmendem Druck
beobachtet. Diese Hysterese ist hauptsächlich auf das
Auftreten von reibungsbehaftetem Gleiten zwischen der Basis 9
und der kegelstumpfförmigen Lagerfläche 6 zurückzuführen.
-
Ferner wird im Laufe aufeinanderfolgender Messungen bei
allen gewählten Kalibrierungsbedingungen für gewöhnlich eine
Abdrift in der Nullfestsetzung des Sensorsignals beobachtet.
-
Die Unmöglichkeit des Kontrollierens derartiger Daten führt
zu sprunghaften Ergebnissen, welche auf Anwendungsgebieten
nicht als zuverlässsig betrachtet werden können, in denen es
die Genauigkeit des Meßergebnisses ermöglicht, den Beginn,
die Existenz oder das Ende eines Verarbeitungsvorgangs oder
auch das Ausmaß der Dichtheit einer Einschließung
herzuleiten, bei welcher es wesentlich ist, jedes mögliche Leck zu
erfassen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen
Nachteile durch Bereitstellen eines neuartigen, eine
Dehnungsmeßeinrichtung aufweisenden Druckgebers zu beseitigen,
welcher speziell zum Anbringen an dem Endflansch einer
Rohrleitung oder Ummantelung ausgebildet ist, derart, daß
Druckmessungen ermöglicht werden, welche mit großer Genauigkeit
durchführbar sind, ohne zum Auftreten eines wesentlichen
Hysteresefaktors oder einer Nulldrift zu führen.
-
Um die erwähnten Ziele zu erreichen, stellt die Erfindung
einen Druckgeber mit einer Dehnungsmeßeinrichtung zum
Anbringen an dem Endflansch (2) einer Rohrleitung oder einer
Ummantelung (1) von dem Typ bereit, welcher einen
zylindrischen Körper (8) umfaßt, der orthogonal zu der Drehachse (y-
y') des Körpers (B) eine elastisch verformbare Membran (10)
bildet, welche einen mit elektrischen Leitungen (12)
verbundenen, eine Dehnungsmeßeinrichtung aufweisenden Sensor (11)
trägt, wobei der zylindrische Körper an einer Seite der
Membran (10) eine ringartige Basis (9) mit einer
kegelstumpfförmigen Oberfläche (24) aufweist, welche mit einem
kreisförmigen
Zentrierungsabschnitt (25) zum Zusammenwirken mit
einer Dichtung (5) und an der anderen Seite der Membran
einer den Sensor (11) umgebenden Schutzumhüllung (21)
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Körper
(8) außen einen sich nach außen erstreckenden Umfangsbund
(22) umfaßt, welcher zwei Auflageflächen (23&sub1; und 23&sub2;)
festlegt, deren Ebenen orthogonal zu der Drehachse (y-y') des
zylindrischen Körpers (8) sind, wobei eine der Flächen (23&sub1;)
für den Kontakt mit dem oberen Abschnitt des Flansches (2)
vorgesehen ist, während die andere Fläche (23&sub2;) dazu
ausgebildet ist, mit einem äußeren Festklemmelement (15) zum
Festklemmen des zylindrischen Körpers (8) an dem Flansch (2)
durch Drängen des Bunds (22) nach unten gegen den oberen
Abschnitt des Flansches (2) zusammenzuwirken, und daß der
Bund (22) derart gebildet ist, daß ein Zwischenraum (26)
zwischen der kegelstumpfförmigen Oberfläche (24) des
zylindrischen Körpers (8) und dem dementsprechend
kegelstumpfförmigen oberen Teil (6) der Ummantelung (1)/des Flansches
(2) jeden Kontakt außer durch den Bund (22) vermeidet.
-
Verschiedene weitere Eigenschaften werden sich aus der
folgenden Beschreibung ergeben, welche sich auf die beigefügten
Zeichnungen bezieht, die in nicht einschränkender,
beispielhafter Weise Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung
zeigen.
-
Figur 1 ist eine Vorderansicht einer Druckgeberanordnung
nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
-
Figur 2 ist eine Vorderansicht im Querschnitt, welche eine
erste Ausführungsform der Erfindung zeigt,
-
Figur 3 ist eine Figur 2 analoge Vorderansicht im
Querschnitt, welche eine weitere Ausführungsform der Erfindung
zeigt,
-
Figur 4 ist eine Vorderansicht im Querschnitt, welche ein
Detail der Ausführungsform gemäß einer Variante von Figur 3
in größerem Maßstab zeigt,
-
Figur 5 ist eine Teilvorderansicht im Querschnitt, welche
die bevorzugte Ausführungsform des Gegenstands der Erfindung
zeigt.
-
Entsprechend dem in Figur 2 dargestellten ersten
Ausführungsbeispiel ist es die Aufgabe der Erfindung, das
Anbringen eines Druckgebers 20 an einer einen Flansch 2
umfassenden Rohrleitung 1 zu ermöglichen, wobei der Flansch z.B.
Verbindungsmittel 3 aufweist, welche zum Zusammenwirken mit
einem vorzugsweise von einer schraubbaren Mutter gebildeten
Festklemmelement 15 ausgebildet sind. Der Flansch 2 begrenzt
wie beim Stand der Technik einen inneren Lagerrand 4 für
eine Dichtung 5. Der Rand 4 ist mit einem ebenen Querrand 7
durch eine kegelstumpfförmige Oberfläche von der Art der
Oberfläche 6 des Stands der Technik verbunden.
-
Der Rand 4, der Rand 7 und die Auflagefläche 16 der Mutter
15 legen Ebenen fest, welche zueinander parallel und
orthogonal zu der Achse x-x' der Rohrleitung 1 sind.
-
Der Druckgeber gemäß der Erfindung kann als eine zur
Struktur des Stands der Technik analoge Struktur aufweisend
insofern betrachtet werden, als er einen eine Basis 9 bildenden
Körper 8 umfaßt, wobei die Basis durch eine elastisch
verformbare Membran 10 geschlossen ist, welche zum Tragen des
auf einer Dehnungsmeßeinrichtung basierenden Sensors
ausgebildet ist, welcher von einer zylindrischen Umhüllung 21
geschützt ist.
-
1m Falle der Erfindung ist der Körper 8 derart ausgebildet,
daß er außerhalb und konzentrisch zur Basis 9 und zur
Umhüllung
21 einen Umfangsbund 22 umfaßt, welcher zwei
Auflageflächen bildet, nämlich eine untere 23&sub1; bzw. eine obere 23&sub2;.
Die Ebenen der Flächen 23&sub1; und 23&sub2; sind orthogonal zur
Drehachse y-y' des Körpers 8. Die untere Fläche 23&sub1; erstreckt
sich von einer kegelstumpfförmigen Oberfläche 24, welche mit
einem zum Einpassen in die Dichtung 5 ausgebildeten
kreisförmigen Zentrierungsabschnitt 25 verbunden ist. Die Fläche
24 ist derart ausgebildet, daß sie relativ zur Oberfläche 6
einen Zwischenraum 26 in der Größenordnung einiger Zehntel
Millimeter aufweist, wenn die untere Auflagefläche 23&sub1; mit
dem Querrand 7 des Flansches 2 zusammenwirkt.
-
Der Bund 22 kann so gebildet werden, daß er sich im
wesentlichen in der Ebene der Membran 10 oder in der Nähe
derselben erstreckt.
-
Der Druckgeber wird derart montiert, daß in erster Linie
sichergestellt wird, daß die Dichtung 5 an den Rand 4 gepaßt
wird, und dann wird der Körper 8 derart in Eingriff
gebracht, daß der Zentrierungsabschnitt 25 innerhalb der
Dichtung 5 eingeführt wird, um die Fläche 23&sub1; an den Rand 7 des
Flansches 2 anzulegen.
-
Das Festklemmelement 15 wird dann derart angeordnet, daß
sein Einpassen in das Mittel 3 bewirkt, daß die Fläche 16
eine derartige Druckwirkung auf die Fläche 23&sub2; ausübt, daß
der Bund 22 parallel zu den Symmetrieachsen y-y', x-x' gegen
den Flansch 2 gedrängt wird.
-
Ein wirksames, sogar übermäßiges Festziehen der Mutter 15
mit jedem geeigneten Mittel kann sogar dann, wenn dieses
Mittel nicht orthodox ist, wie z.B. die häufig auf der
Baustelle verwendeten Mittel, lediglich zu einer Ausübung von
zusammendrückender Belastung auf den Bund 22 zwischen
stützenden und klemmenden Flächen führen, welche parallel
zueinander
und orthogonal zu den Achsen y-y', x-x' sind.
-
Auf diese Weise wird die Membran 10 vor radialer oder
pseudo-radialer Belastung geschützt, keiner vom Festziehen
herrührender Belastung ausgesetzt und befindet sich deshalb
in einem neutralen Zustand, aufgrund dessen die Kalibrierung
durchgeführt werden kann, um einen stabilen Ursprungspunkt
für Messungen zu erhalten.
-
Da das Element 10 keiner Vorbelastung ausgesetzt ist, ist es
auch möglich, Messungen mit zunehmendem Druck und Messungen
mit abnehmendem Druck durchzuführen, welche bei den gleichen
Maßstabswerten einen kleinen oder keinen Mysteresefaktor
erzeugen.
-
Bei dem Beispiel gemäß Figur 2 ist der Geberkörper 8
insbesondere in einer Vor-Montagestellung durch den mit der
Dichtung 5 zusammenwirkenden Zentrierabschnitt 25 zentriert
auf dem Flansch 2 angebracht. Auf diese Weise ist es
möglich, eine Anordnung zu erzielen, welche den Zwischenraum 26
zwischen den Flächen 6 und 24 präzise beibehält, um zu
verhindern, daß ein punktueller Kontakt im Zeitpunkt des
Festziehens zum Aufbau von Belastungen führen kann, welche auf
die Basis 9 ausgeübt werden und durch diese auf die Membran
10 übertragen werden.
-
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher der
Bund 22 nicht wie im vorhergehenden Beispiel direkt vom
Körper 8 gebildet ist, sondern von einem Ring 30, welcher
koaxial aufgepaßt ist und an der Außenseite des Körpers 8 frei
drehbar ist, bis er in axiale Anlage mit einer Schulter 31
des Körpers kommt.
-
Eine derartige Ausführungsform ermöglicht selbst in einer
Vor-Festziehstellung eine Winkelausrichtung des Körpers 8,
vorausgesetzt, daß die axiale, aber ebenso winkelmäßige
Festlegung des Bunds 22 durch die Wirkung des Elements 15
nur auf den Ring 30 übertragen wird.
-
Das koaxiale Passen des Körpers 8 auf die Rohrleitung l kann
wie bereits erwähnt durch den sich von der Basis 9
erstrekkenden und in die Dichtung 5 einzuführenden
Zentrierungsabschnitt 25 gewährleistet werden. Eine Variante des zur
Gewährleistung einer derartigen koaxialen Beziehung
geeigneten Mittels ist in Figur 4 dargestellt, welche zeigt, daß
die Basis 9, möglicherweise ohne einen Zentrierungsabschnitt
25, koaxial zur Rohrleitung 1 durch eine an der Basis und
hinter dem Umfangsrand des Bunds 22 des Rings 30 gebildete,
kegelstumpfförmige Lagerfläche 32 angeordnet ist.
-
Wie in Figur 4 zu sehen, stellt das Anbringen des
Druckgebers an dem Flansch 2 durch ein Zusammenwirken zwischen der
Lagerfläche 32 und der Fläche 6 die Zentrierung des Rings 30
sicher, welche diejenige des Körpers 8 gewährleistet,
welcher durch die Querfläche der Basis 9 auf der Dichtung 5
lagert.
-
Diese Ausführungsform ist durch die Existenz eines einzigen
Festziehkontakts zwischen dem Körper des Gebers und den
äußeren Teilen gekennzeichnet, insbesondere zwischen den
gegenüberliegenden Flächen einer Schulter 31 und des Bunds 22.
Eine derartige Anordnung beseitigt die auf den bei
Abwesenheit von Reibung reversibel verformbaren Geberkörper
ausgeübten Kompressionsbelastungen, wodurch ein Hysteresefaktor
eliminiert wird.
-
Figur 5 zeigt die bevorzugte Ausführungsform, bei welcher
der Ring 30 an dem Körper 8 zwischen der Schulter 31 und
einem sicherungsringartigen, entfernbar in einer Nut 36 in
der zylindrischen Umhüllung 21 angebrachten Haltering oder
dgl. 35 an dem Körper 8 axial festgelegt ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel bildet der Ring 30 den Bund 22, welcher
vorzugsweise eine zum Umgeben der direkt mit der Fläche 24
verbundenen Schulter 31 ausreichende axiale Höhe aufweist.
Die Basis des Bunds 22 umfaßt im Übergangsbereich zwischen
seiner inneren Umfangsfläche und der Querfläche 23&sub1; eine
Lippe 37, welche eine kegelstumpfförmige Lagerfläche bildet,
welche mit dem Sitz 6 zusammenwirken kann, um die
Zentrierung des Körpers 8 in Anlage an der Dichtung 5 zu
gewährleisten.
-
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und
dargestellten Beispiele beschränkt, da an diesen verschiedene
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich
der Ansprüche zu verlassen.