EP3698114A1 - Austauschbare prozessdichtung für einen druckmessaufnehmer - Google Patents

Austauschbare prozessdichtung für einen druckmessaufnehmer

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EP3698114A1
EP3698114A1 EP18769349.4A EP18769349A EP3698114A1 EP 3698114 A1 EP3698114 A1 EP 3698114A1 EP 18769349 A EP18769349 A EP 18769349A EP 3698114 A1 EP3698114 A1 EP 3698114A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
seal
pressure sensor
connection
transducer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18769349.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kristine Bedner
Michael Hügel
Thomas Uehlin
Miriam Volz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3698114A1 publication Critical patent/EP3698114A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/10—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing
    • F16J15/102—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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    • F16J15/10—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing
    • F16J15/104—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by structure
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/003—Fluidic connecting means using a detachable interface or adapter between the process medium and the pressure gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general

Definitions

  • the invention relates to a process seal with a dimensionally stable Dichtungskem and applied to the Dichtungskem coating of a thermoplastic
  • Sealing material for a pressure transducer a pressure sensor equipped with the process seal, as well as a method for the production and use of these process seals, and can be used in conjunction with pressure transducers
  • a clamping device for clamping the pressure sensor and between an outer edge of the front side of the pressure sensor and a sealing surface of the
  • Process connection includes gripping process seal, wherein the
  • Clamping device comprises a in a direction parallel to the surface normal to the front side of the pressure sensor extending direction elastic, with a clamped process seal under a bias element.
  • Pressure transducers are used in industrial metrology for the metrological detection of pressures. There they are mounted by means of the process connection at a place of use, where the pressure sensor is then acted upon via the pressure transmission channel with a medium under the pressure to be measured.
  • Restrictions can be used.
  • An example of this are pressure measurements of chemically aggressive media.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the sealing arrangement comprises a ceramic decoupling ring on the end face facing the pressure sensor and a flat seal on its end face facing the shoulder
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • a clamping device for axial clamping of the pressure sensor and sealing arrangement which comprises an elastic element in the axial direction.
  • the elastic member has an elasticity in the axial direction, which is dimensioned such that the gaskets in pressure fluctuations and pressure surges of the medium pressure, as well as in
  • the elastic element serves to, by flowing and / or setting of the thermoplastic
  • thermoplastic sealing material at least partially enclosing envelope of a thermoplastic sealing material comprises.
  • This process seal is clamped by means of a clamping device for the axial clamping of pressure sensor and process seal between an outer edge of the end face of the pressure sensor and a sealing surface of the process connection, which comprises an elastic element in the axial direction.
  • Both solutions allow the use of thermoplastic sealants that are significantly more resistant to chemicals than elastomers.
  • process gaskets comprising thermoplastic gasketing materials can not readily be replaced when needed.
  • One reason for this is the flow after insertion of a new process seal into the respective pressure measuring transducer and / or setting of the thermoplastic sealing material, that to a Significant reduction in the height of the process seal leads in the axial direction. This esp. Immediately after installation particularly pronounced reduction in height can be compensated within certain limits by the elastic element. However, this leads to a reduction of the elastic element exerted on the process seal and thus inevitably also on the pressure sensor clamping forces.
  • the elastic element is not accessible in the following, so that a further readjustment of the bias voltage is no longer possible below.
  • Changes in the clamping forces exerted by the clamping device on the pressure sensor caused by the flow of the thermoplastic sealing material and / or the readjustment of the preload regularly lead to a change in the measuring properties of the pressure measuring transducer.
  • Preload the elastic element factory be subjected to a calibration process.
  • a dependence of a pressure-dependent measured variable determined by means of a measuring electronics connected to the pressure sensor is determined by the pressure acting on the pressure sensor and stored in the pressure measuring transducer.
  • Pressure measuring transducer record a measuring operation, during which the pressure to be measured on the basis of the measured variable in the measurement operation and their in
  • the invention comprises a process seal with a dimensionally stable seal core and a coating applied to the seal core of a thermoplastic gasket material for a pressure transducer, wherein the
  • a clamping device for clamping the pressure sensor and between an outer edge of the front side of the pressure sensor and a sealing surface of the
  • Process connection includes gripping process seal, wherein the
  • Clamping device comprises a in a direction parallel to the surface normal to the front side of the pressure sensor extending direction elastic, with a clamped process seal under a bias element,
  • process gaskets according to the invention can easily be exchanged for structurally identical, pre-aged process gaskets without the clamping forces acting on the pressure sensor changing in a manner which would necessitate a readjustment of the prestressing of the elastic element and / or a renewed calibration and / or which would permanently adversely affect the measuring properties, in particular the measuring accuracy of the pressure measuring transducer.
  • the seal core either a one-piece seal core of a dimensionally stable
  • Material esp. Of ceramic, is, or an inner ring body, esp.
  • An inner ring body made of ceramic comprises, which is surrounded by an outer, a greater height ring body, esp.
  • the coating (47) consists of polytetrafluoroethylene (PTFE), of fluoroethylene-propylene (FEP), of perfluoroalkoxyalkane (PFA) or of a polytetrafluoroethylene (PTFE), Fluoroethylene-propylene (FEP) or perfluoroalkoxyalkane (PFA)
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP fluoroethylene-propylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • thermoplastic sealing material consists of thermoplastic sealing material.
  • Coating of the process seal after the execution of the Voralterungsvons has a layer thickness greater than or equal to a minimum thickness of 15 pm, esp. Greater or equal to a minimum thickness of 20 ⁇ , the layer thickness esp. Less than or equal
  • a further embodiment of the process seal is characterized in that the coating extends at least over the opposing surfaces of the seal core facing the edge of the end face of the pressure sensor and the sealing surface of the process connection in the pressure measuring transducer, wherein the coating also has at least one further Surface, esp.
  • An outer circumferential surface of the seal core extends and / or is formed as a sealing core on all sides surrounding sheath.
  • the invention comprises a pressure transducer comprising a process seal according to the invention, which is characterized in that the
  • Front side of the pressure sensor can be acted upon by the standing under a pressure to be measured medium
  • clamping device for clamping the pressure sensor and the process seal which comprises in parallel to the surface normal to the front side of the pressure sensor extending direction elastic, under the biasing element, and
  • the elastic element of the clamping device is clamped on a rear side of the pressure sensor facing away from the process connection between the pressure sensor and an abutment, in particular a pressure ring,
  • the elastic element comprises a spring system and / or one or more springs arranged on one another, in particular one or more disc springs,
  • the process connection has an end portion introduced into the opening in a clearance fit and protruding into the opening, the end face of which facing the pressure sensor comprising the sealing surface,
  • the sealing surface of the process connection is designed as a sealing seat, which has a surface contour of the surface of the process connection facing surface
  • Process seal has corresponding surface contour, and / or
  • the process connection comprises a paragraph whose the sensor housing facing shoulder surface on serving as a stop for the detachable connection, the
  • the angle ring comprises a substantially cylindrical, arranged in an annular gap between the pressure sensor and an outer side surrounding inner wall of the recess and a radially inwardly extending, an outer edge region of the front side of the pressure sensor encompassing shoulder, and
  • the angle ring rests on a the opening of the sensor housing on the outside on all sides bounding paragraph of the sensor housing
  • angle ring esp. Either total consists of an elastomer or comprises a first component of a dimensionally stable material, wherein the first
  • Component comprises a remote from the pressure sensor lower part of the radially inwardly extending shoulder, extending in the axial direction into the annular gap and is connected to a second component made of an elastic material, at least in sections in the annular gap between a Budapestseitlichen
  • Jacket surface of the pressure sensor and the inner wall of the recess extends.
  • the invention comprises a process for the production of process seals according to the invention and their use in a process according to the invention
  • the process seal clamped in the pressure measuring transducer is subsequently replaced at least once by a structurally identical, pre-aged process seal and / or the process connection is replaced at least once by a process connection having a different process connection type and / or process connection geometry.
  • the coatings of the new seals each have an initial layer thickness in the order of 50 pm to 200 pm, and / or
  • the coatings of the pre-aged process seals each have a layer thickness
  • the clamping force exerted on the seal during the pre-aging process by means of the clamping device is genuinely greater than a clamping force exerted by the prestressed element on the process seal clamped in the pressure measuring transducer, depending on the nominal pressure range of the pressure measuring transducer, in particular such that in connection with a predetermined clamping force in the range of 5000 N to 7000 N during the pre-aging process, a clamping force of the order of 5500 N to 7500 kN is used,
  • the seal is heated to a temperature which is greater than or equal to a temperature upper limit of an operating temperature range of the Pressure sensor, esp.
  • the period over which the seal is pre - aged is such that the
  • the process gaskets are subjected to an aftertreatment, which removes any excess gasket material that has been removed, especially by smooth cutting off, before the respective process gasket is inserted into the pressure sensor.
  • initial start-up of the pressure measuring transducer is set such that the clamping force exerted by the element on the pressure sensor and the pre-aged process seal is in a predetermined range for a nominal pressure range of the pressure transducer, and / or
  • a calibration method is carried out in which a dependence of the pressure-dependent measured variable derived by means of the pressure sensor and a measuring electronics connected thereto from the pressure acting on the pressure sensor to be measured is determined for the entire pressure measuring range of the pressure measuring transducer, and
  • Pressure sensor is stored, by means of which the pressure transducer determines the pressure to be measured in the subsequent measurement operation.
  • FIG. 1 shows: a pressure sensor according to the invention; and FIG. 2 shows an enlarged representation of the section of the pressure measuring transducer of FIG. 1 circled in FIG. 1.
  • the invention comprises a process seal 1 for a pressure measuring transducer, a pressure measuring transducer equipped with such a process seal 1, and a
  • Process gaskets 1 according to the invention can be used in pressure transducers which
  • a clamping device for clamping the pressure sensor 5 and between an outer edge of the end face of the pressure sensor 5 and a sealing surface 17 of the
  • Process connection 9 include gripping process seal 1, wherein the
  • Clamping device in axial, i. includes elastic element parallel to the surface normal on the front side of the pressure sensor 5 extending direction, with a clamped process seal 1 under a biasing element 15.
  • Fig. 1 shows a sectional drawing of an embodiment of such
  • FIG. 2 shows an enlarged view of that in FIG. 1
  • FIG. 1 shows an embodiment of this one
  • Pressure sensor 5 having a base body 19 and a measuring membrane 23, which is connected to the main body 19 and encloses a pressure chamber 21, deformable by a pressure acting on the outside thereof, made of a material resistant to the medium, such as e.g. Ceramics.
  • the pressure sensor 5 comprises an electromechanical transducer, which depends on the pressure acting on the measuring diaphragm 23 pressure
  • Deflection of the measuring diaphragm 23 converts into an electrical variable dependent on the pressure to be measured, which is detected by means of a measuring electronics 25 connected to the pressure sensor 5, in particular its transducer, and converted into a measured variable pending on the pressure to be measured.
  • a capacitive transducer is shown in Fig. 1, comprising a arranged on a membrane-facing end side of the base body 19 electrode 27, which together with a arranged on a base body-facing inside of the measuring diaphragm 15 counter electrode 29 forms a capacitor with a dependent of the deformation of the measuring diaphragm 21 capacity.
  • a capacitive transducer is shown in Fig. 1, comprising a arranged on a membrane-facing end side of the base body 19 electrode 27, which together with a arranged on a base body-facing inside of the measuring diaphragm 15 counter electrode 29 forms a capacitor with a dependent of the deformation of the measuring diaphragm 21 capacity.
  • Converter principle based electromechanical transducer such. an optical, interferometric or piezoresistive transducer can be used.
  • the process connection 9 illustrated here by way of example comprises a substantially cylindrical section surrounding the pressure transfer channel 13 on the outside, which is surrounded on the outside by a radially outwardly extending shoulder 31, whose shoulder surface facing the sensor housing 3 acts on a stop serving for the detachable connection 7 , the process connection 9 facing abutment surface of the sensor housing 3 is applied.
  • the cylindrical section may optionally have an outer side inserted into clearance in the opening 11, projecting into the opening 11 in the end portion, the pressure sensor 5 facing end face the sealing surface 17 of the process connection 9 includes.
  • the sealing surface 17 is preferably designed as a sealing seat, which has a surface contour of the process connection 9 facing surface of the
  • the elastic element 15 of the clamping device is preferably arranged and designed such that it exerts a clamping force directed in the direction of the front side of the pressure sensor 5 on a rear side of the pressure sensor 5 opposite the front side of the pressure sensor 5.
  • the pretensioning of the elastic element 15 is preferably dimensioned such that the clamping force exerted by the element 15 on the pressure sensor 5 and the process seal 1 lies in a range of values predetermined for a pressure measuring range of the pressure measuring transducer which is frequently also designated as a nominal pressure range.
  • This value range is dimensioned such that the clamping force in the entire pressure measuring range is large enough to ensure a sufficient sealing effect of the clamped process seal 1.
  • a clamping force in the range from 5000 N to 7000 N can be used for a pressure transducer with a nominal pressure range of 100 bar.
  • the pressure sensor 5 can be inserted into a recess in the sensor housing 3 with the interposition of an angular ring 35 shown as an option in FIG. 1 with a cross-sectionally substantially L-shaped profile.
  • the angle ring 35 comprises a substantially cylindrical region, which is arranged in an annular gap between the pressure sensor 5 and the outer side surrounding inner wall of the recess, and a radially inwardly extending shoulder 37 which engages around an outer edge region of the end face of the pressure sensor 5.
  • the angle ring 35 serves to position the pressure sensor 5 in a position exactly defined in the radial direction in the sensor housing 3 and protects the pressure sensor 5 from forces acting on it in the radial direction, such as e.g. thermomechanical stresses.
  • the angle ring 35 is formed in the manner described in DE 10 2010 029 955 A1.
  • the angle ring 35 comprises a first component of a dimensionally stable material, which comprises a remote from the pressure sensor 5, the lower part of the radially inwardly extending shoulder 37 and extending in the axial direction into the annular gap.
  • it comprises a second component of an elastic material connected to the first component, which is located in the
  • Annular gap extends at least in sections between the outer lateral surface of the pressure sensor 5 and the inner wall of the recess.
  • the angle ring 35 rests on the opening 11 on the outside on all sides bounding shoulder 33 of the sensor housing 3.
  • it is preferably designed and arranged such that its shoulder 37 surrounds the process seal 1 on all sides on the outside, wherein the shoulder 37 is preferably shaped such that it forms an outer-side chambering of the process seal 1.
  • Counter bearing 39 clamped.
  • an abutment 39 is suitable in this respect, e.g. an inserted into the sensor housing 3 or screwed pressure ring, via whose
  • the elastic element 15 may comprise, for example, a spring system and / or one or more mutually arranged, in the axial direction elastic springs, such as those shown in Fig. 1 disc springs include.
  • the axially elastic element 15 can be arranged directly on the side facing away from the process connection 9 back of the pressure sensor 5.
  • the decoupling ring 41 preferably consists of a matched to the thermal expansion coefficient of the pressure sensor 5 material, for example of ceramic, and protects the pressure sensor 5 in the radial direction acting thereon, for example by the elastic member 15 and / or by thermo-mechanical stresses caused forces.
  • Fig. 1 shows as an example a releasable mechanical connection 7 between
  • Sensor housing 3 and process connection 9 a screw connection, which comprises a plurality, in each case by a provided in the process connection 9 through-hole in an associated provided in the sensor housing 3 blind hole screwed or screwed screws 43.
  • compound 7 can also be realized in other ways known to the person skilled in the art. Examples of this are on the sensor housing 3 or the process connection 9 attachable union nuts on an external thread of the other connection partner
  • clamping mechanism clamp-on
  • the process seal 1 comprises a dimensionally stable sealing core 45 and a coating 47 made of a thermoplastic applied to the sealing core 45
  • thermoplastic sealing material e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE), fluoroethylene-propylene (FEP), perfluoroalkoxyalkane (PFA), or a PTFE, FEP or PFA sealant material.
  • the coating 47 extends at least over the opposite, in Druckmessaufêt the edge of the end face of the pressure sensor 5 and the sealing surface 17 of the process connection 9 facing surfaces of the Dichtungsungskems 45.
  • the coating 47 may extend over other surfaces of the seal core 45 and / or be formed as a sealing casing 45 on all sides surrounding sheath.
  • Fig. 1 and 2 show this an embodiment in which the
  • Coating 47 is formed as an over the opposite surfaces and an outer circumferential surface of the seal core 45 extending sheath.
  • the seal core 45 may be formed as a one-piece core. In this case, shown in Figs. 1 and 2, it is preferably made of a material, e.g. Ceramics that has a matched to the thermal expansion coefficient of the pressure sensor 5 coefficient of thermal expansion.
  • two-part or multi-part sealing core such as, for example, the German patent application filed on January 11, 2017, with the file reference DE 10 2017 100 402.5 described, two-part seal core, can be used.
  • This comprises an inner ring body, such as a ceramic ring body, which is surrounded by an outer, a greater height having annular body, such as a titanium ring body.
  • annular body such as a titanium ring body.
  • the sealing core 45 effects a dimensionally stable support of the thermoplastic coating 47 both during clamping of the process seal 1 and in the clamped state.
  • This offers the advantage that the process dimensions 1 can have comparatively large external dimensions without this being necessary a correspondingly large amount of thermoplastic
  • Process gaskets 1 according to the invention are characterized in that they are formed as process seals 1 which are pre-aged in a reproducibly executable preaging process and can be used as an exchangeable component in the pressure measuring transducer, which was clamped during the pre-aging process in a clamping device exerting a clamping force thereon.
  • process seals 1 which are pre-aged in a reproducibly executable preaging process and can be used as an exchangeable component in the pressure measuring transducer, which was clamped during the pre-aging process in a clamping device exerting a clamping force thereon.
  • Process seal is 1 clamping geometry surrounding the pressure transducer.
  • These process seals 1 are produced by coating their seal core 45 with the coating 47 and pre-aging the as-new seal thus obtained by the pre-aging process.
  • the coating 47 of the new-type seal can have, for example, an initial layer thickness in the order of magnitude of 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the new seal is subjected to the reprocessing process which can be carried out in a reproducible manner.
  • a method is suitable in which the seal is clamped at a predetermined temperature over a predetermined period of time in the clamping device.
  • the clamping force exerted on the seal by means of the clamping device is preferably dimensioned so that it is really larger than that of the under
  • Biasing element 15 is applied to the clamped in the pressure transducer process seal 1 clamping force. For example, to produce a pre-aged process seal 1 for a pressure transducer with a
  • Nominal pressure range of 100 bar in which the pre-aged process seal 1 with a Clamping force in the range of 5000 N to 7000 N is clamped in the pressure transducer, during the Voralterungsvons a clamping force in the order of 5500 N to 7500 kN are used. Since thermoplastic seal materials flow not only under pressure but also over temperature and pressure transducers regularly in a larger
  • the predetermined temperature to which the gasket is heated during the pre-aging process is preferably sized to be larger equal to a temperature upper limit of
  • Use temperature range wherein it preferably exceeds the upper temperature limit by less than 100 ° C, more preferably by less than 50 ° C.
  • the period of time over which the gasket is pre-aged is preferably such that the gasket during the period of time one in terms of
  • this may be e.g. a prestressed elastic element, such as e.g. a spring, include, whose bias is readjusted if necessary.
  • the process seals 1 available after completion of the pre-aging process may be subjected to an aftertreatment, during which excess excess sealant material is removed.
  • This aftertreatment is particularly advantageous for process seals 1, which are used in pressure transducers which are operated at locations where high hygiene and hygiene requirements are required
  • Cleanability exist. There may e.g. can be achieved by a smooth cutting of the excess material during the aftertreatment, that the pressure transmission channel 13 in the region of the process seal 1 has an easy-to-clean, substantially void and undercut-free inner surface.
  • thermoplastic sealing material of the pre-aged process seal 1 in spite of their presumed by pre-aging substantially stable, provisional final state at a subsequent clamping the pre-aged process seal 1 in Druckmessaufêt sufficiently flows to possibly compensate for existing unevenness of the sealing surfaces of pressure sensor 5 and process connection 25 and so a high-quality, pressure-tight To effect sealing.
  • process seals 1 according to the invention leaks can be achieved with a helium leak rate in the order of 10 ⁇ 7 mbar l / s.
  • the coating 47 to the sealing core 45 with an initial layer thickness which is dimensioned such that the layer thickness of the pre-aged process seal 1 produced therefrom by the pre-aging process is greater than or equal to a minimum thickness of 15 ⁇ m, particularly preferably even greater equal to a minimum thickness of 20 pm.
  • the process gaskets 1 according to the invention which flow through the after-flowing of the thermoplastic sealing material after being clamped in the
  • the coating 47 comprises a process for the production of process seals 1 according to the invention and their use in a process according to the invention
  • such a method is preferably that the bias of the elastic member 15 of the jig before the first start of the
  • Pressure sensor with a process seal according to the invention 1 is set in such a clamped in the pressure measuring transducer process seal 1 that the of the elastic member 15 on the pressure sensor 5 and the clamped in the pressure transducer process seal 1 applied clamping force in the for the
  • Nominal pressure range of the pressure transducer predetermined range is
  • such a method is preferably carried out such that prior to initial startup of the pressure measuring transducer with a process seal 1 according to the invention clamped in the pressure measuring transducer process seal 1, a calibration method in which a dependence of the means of the pressure sensor 5 and the connected measuring electronics 25 derived, pressure-dependent Measured by acting on the pressure sensor 5, to be measured pressure for the entire pressure measuring range of the pressure measuring and determined in the
  • Pressure transducer is stored. Following this, the pressure measuring transducer can for the first time record a measuring operation during which it determines the pressure to be measured on the basis of the measured variable determined in the measuring mode and its dependence on the pressure acting on the pressure sensor 5.
  • the interchangeability of the process seal 1 is esp. In applications of advantage in which high demands are placed on the hygiene and the cleanability of the pressure transducer. There, it offers the further advantage that the process seal 1 can be expanded in order to be able to prove that it is necessary in some industries that a previously performed cleaning has been carried out successfully.
  • the modular design of pressure transducers according to the invention offers the advantage that prefabricated pressure transducers
  • Process connection and / or different process connection geometry can be equipped.
  • the process connection 9 shown in FIG. 1 comprises, as a possible example, an external thread 49 which is provided for this purpose in an application site
  • Complementary internal thread can be screwed.
  • process connections 9 which are connected to one another
  • Connection type or geometry such as a flange or a Milkrohrverschraubung equipped.

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Abstract

Es sind Prozessdichtungen (1) mit einem formstabilen Dichtungskern (45) und einer Beschichtung (47) aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial für Druckmessaufnehmer beschrieben, die auf einfache Weise, insb. im Wesentlichen ohne Messgenauigkeitseinbußen ausgetauscht werden können. Diese Prozessdichtungen (1) zeichnen sich dadurch aus, dass sie in einem auf reproduzierbare Weise durchführbaren Voralterungsverfahren vorgealterte, in dem Druckmessaufnehmer als austauschbare Komponenten einsetzbare Prozessdichtungen (1) sind, die während des Voralterungsverfahrens in einer eine Einspannkraft darauf ausübenden Einspannvorrichtung eingespannt waren, die eine die darin eingespannte Prozessdichtung (1) umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die im Wesentlichen identisch zu der die Prozessdichtung (1) im Druckmessaufnehmer umgebenden Einspannungsgeometrie ist.

Description

Austauschbare Prozessdichtung für einen Druckmessaufnehmer
Die Erfindung betrifft eine Prozessdichtung mit einem formstabilen Dichtungskem und einer auf den Dichtungskem aufgebrachten Beschichtung aus einem thermoplastischen
Dichtungsmaterial für einen Druckmessaufnehmer, einen mit der Prozessdichtung ausgestatteten Druckmessaufnehmer, sowie ein Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung dieser Prozessdichtungen, und ist in Verbindung mit Druckmessaufnehmern einsetzbar, die
- einen in einem Sensorgehäuse eingefassten Drucksensor,
- einen mittels einer lösbaren mechanischen Verbindung mit dem Sensorgehäuse
verbindbaren Prozessanschluss,
- einen durch den Prozessanschluss und eine im Sensorgehäuse vorgesehene Öffnung hindurch bis zum Drucksensor führenden Druckübertragungskanal, über den eine Stirnseite des Drucksensors mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist, und
- eine Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors und der zwischen einem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors und einer Dichtfläche des
Prozessanschlusses einspannbaren Prozessdichtung umfasst, wobei die
Einspannvorrichtung ein in einer parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors verlaufender Richtung elastisches, bei eingespannter Prozessdichtung unter einer Vorspannung stehendes Element umfasst.
Druckmessaufnehmer werden in der industriellen Messtechnik zur messtechnischen Erfassung von Drücken eingesetzt. Dort werden sie mittels des Prozessanschlusses an einem Einsatzort montiert, wo deren Drucksensor dann über den Druckübertragungskanal mit einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagt wird.
In der DE 42 13 857 A1 und der DE 102 27 479 A1 sind Druckmessaufnehmer
beschrieben, bei denen ein als Prozessdichtung dienender O-Ring aus einem Elastomer zwischen einem äußeren Rand einer Stirnseite eines in einem Sensorgehäuse
eingefassten Drucksensors und einer Dichtfläche eines mittels einer lösbaren
mechanischen Verbindung mit dem Sensorgehäuse verbundenen Prozessanschlusses eingespannt ist. Bei diesen Druckmessaufnehmem kann sowohl der Prozessanschluss als auch der im Messbetrieb in unmittelbarem Kontakt zu dem Medium stehende elastische O-Ring bei Bedarf ausgetauscht werden.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen elastische O-Ringe nicht bzw. nur mit
Einschränkungen verwendet werden können. Ein Beispiel hierfür sind Druckmessungen von chemisch aggressiven Medien. Der Einsatz von Prozessdichtungen aus chemisch beständigeren, thermoplastischen Dichtungsmaterialien, wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), erweist sich jedoch als problematisch, da thermoplastische Dichtungsmaterialien keine ausreichende Elastizität aufweisen und unter Druck fließen.
Diesem Problem kann auf die in der DE 103 34 854 A1 beschriebene Weise dadurch begegnet werden, dass eine dem Drucksensor vorgelagerte Dichtungsanordnung zusammen mit dem Drucksensor in einem Sensorgehäuse eingespannt wird, das eine Öffnung aufweist, über die der Drucksensor mit dem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist. Diese Öffnung ist außenseitlich von einer ringförmigen, sich radial einwärts erstreckenden Schulter des Sensorgehäuses umgeben, auf deren Innenseite die Dichtungsanordnung zwischen einem äußeren Rand des
Drucksensors und der Schulter eingespannt ist. Die Dichtungsanordnung umfasst einen keramischen Entkopplungsring auf dessen dem Drucksensor zugewandten Stirnseite und auf dessen der Schulter zugewandten Stirnseite jeweils eine Flachdichtung aus
Polytetrafluorethylen (PTFE) angeordnet ist. Zusätzlich ist eine Einspannvorrichtung zur axialen Einspannung von Drucksensor und Dichtungsanordnung vorgesehen, die ein in axialer Richtung elastisches Element umfasst. Das elastische Element weist in axialer Richtung eine Elastizität auf, die derart bemessen ist, dass die Flachdichtungen bei Druckschwankungen und Druckstößen des Mediumsdrucks, sowie bei
Temperaturschwankungen nur solchen Schwankungen des axialen Einspanndrucks ausgesetzt sind, die deren Dichtungswirkung nicht beeinträchtigen. Zugleich dient das elastische Element dazu, durch Fließen und/oder Setzen des thermoplastischen
Dichtungsmaterials bedingte Verformungen der Flachdichtungen unter Last zu
kompensieren. Alternativ kann diesem Problem gemäß der am 11. Januar 2017 eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2017 100 402.5 der Anmelderin durch einen die eingangs genannten Merkmale aufweisenden Druckmessaufnehmer begegnet werden, dessen Prozessdichtung einen formstabilen Dichtungskern und eine den
Dichtungskem zumindest teilweise umschließende Hülle aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial umfasst. Diese Prozessdichtung ist mittels einer Einspannvorrichtung zur axialen Einspannung von Drucksensor und Prozessdichtung zwischen einem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors und einer Dichtfläche des Prozessanschlusses eingespannt, die ein in axialer Richtung elastisches Element umfasst. Beide Lösungen ermöglichen den Einsatz von im Vergleich zu Elastomeren chemisch deutlich beständigeren thermoplastischen Dichtungsmaterialien.
Thermoplastische Dichtungsmaterialien umfassende Prozessdichtungen können jedoch bei Bedarf nicht ohne weiteres ausgetauscht werden. Ein Grund hierfür ist das nach dem Einbau einer neuen Prozessdichtung in den jeweiligen Druckmessaufnehmer einsetzende Fließen und/oder Setzen des thermoplastischen Dichtungsmaterial, dass zu einer deutlichen Reduktion der Bauhöhe der Prozessdichtung in axialer Richtung führt. Diese insb. unmittelbar nach dem Einbau besonders ausgeprägte Reduktion der Bauhöhe kann zwar innerhalb gewisser Grenzen durch das elastische Element kompensiert werden. Das führt jedoch zu einer Reduktion der von dem elastischen Element auf die Prozessdichtung und damit zwangsläufig auch auf den Drucksensor ausgeübten Einspannkräfte.
Diesem Problem kann dadurch begegnet werden, dass die axiale Vorspannung des elastischen Elements nach dem Fließen des thermoplastischen Dichtungsmaterials werkseitig derart nachjustiert wird, bevor das Sensorgehäuse verschlossen wird. Sofern dabei zumindest Teilbereiche des Innenraums des Sensorgehäuses mit einer
Vergussmasse ausgefüllt werden, ist das elastische Element nachfolgend nicht mehr zugänglich, so dass eine weitere Nachjustierung der Vorspannung nachfolgend nicht mehr möglich ist. Durch das Fließen des thermoplastischen Dichtungsmaterials und/oder das Nachjustieren der Vorspannung verursachte Veränderungen der durch die Einspannvorrichtung auf den Drucksensor ausgeübten Einspannkräfte führen regelmäßig zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Druckmessaufnehmers. Zur Erzielung möglichst hoher
Messgenauigkeiten können diese Druckmessaufnehmer im Anschluss an die Einspannung der Prozessdichtung, sowie einer ggfs. erforderlichen Nachjustierung der axialen
Vorspannung des elastischen Elements werkseitig einem Kalibrationsverfahren unterzogen werden. Dabei wird für den gesamten Druckmessbereich des Druckmessaufnehmers eine Abhängigkeit einer mittels einer an den Drucksensor angeschlossenen Messelektronik bestimmten, druckabhängigen Messgröße von dem auf den Drucksensor einwirkenden Druck bestimmt und im Druckmessaufnehmer abgespeichert. Nachfolgend kann der
Druckmessaufnehmer einen Messbetrieb aufnehmen, während dessen der zu messende Druck anhand der im Messbetrieb bestimmten Messgröße und deren im
Kalibrationverfahren bestimmten Abhängigkeit vom zu messenden Druck bestimmt wird. Sowohl das Nachjustieren der Vorspannung des elastischen Elements als auch die
Ausführung des Kalibrationsverfahrens erfordern für diesen Zweck ausgelegte technische Vorrichtungen, die am Einsatzort des Druckmessaufnehmers regelmäßig nicht vorhanden sind. Damit ist ein Austausch der Prozessdichtung am Einsatzort regelmäßig nicht möglich. Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Prozessdichtung für einen die eingangs genannten Merkmale aufweisenden Druckmessaufnehmer anzugeben, die auf einfache Weise, insb. im Wesentlichen ohne Messgenauigkeitseinbußen, ausgetauscht werden kann.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Prozessdichtung mit einem formstabilen Dichtungskern und einer auf den Dichtungskern aufgebrachten Beschichtung aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial für einen Druckmessaufnehmer, wobei der
Druckmessaufnehmer
- einen in einem Sensorgehäuse eingefassten Drucksensor,
- einen mittels einer lösbaren mechanischen Verbindung mit dem Sensorgehäuse
verbindbaren Prozessanschluss,
- einen durch den Prozessanschluss und eine im Sensorgehäuse vorgesehene Öffnung hindurch bis zum Drucksensor führenden Druckübertragungskanal, über den eine Stirnseite des Drucksensor mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist, und
- eine Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors und der zwischen einem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors und einer Dichtfläche des
Prozessanschlusses einspannbaren Prozessdichtung umfasst, wobei die
Einspannvorrichtung ein in einer parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors verlaufenden Richtung elastisches, bei eingespannter Prozessdichtung unter einer Vorspannung stehendes Element umfasst,
die sich dadurch auszeichnet, dass die Prozessdichtung eine in einem auf reproduzierbare Weise durchführbaren Voralterungsverfahren vorgealterte, in dem Druckmessaufnehmer als austauschbare Komponente einsetzbare Prozessdichtung ist, die während des
Voralterungsverfahrens in einer eine Einspannkraft darauf ausübenden
Einspannvorrichtung eingespannt war, die eine die darin eingespannte Prozessdichtung umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die identisch zu der die Prozessdichtung im Druckmessaufnehmer umgebenden Einspannungsgeometrie ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass in Druckmessaufnehmern eingesetzte
erfindungsgemäße Prozessdichtungen bei Bedarf jederzeit problemlos gegen baugleiche, auf identische Weise vorgealterte Prozessdichtung ausgetauscht werden können, ohne dass sich hierdurch die auf den Drucksensor wirkenden Einspannkräfte in einer Weise verändern, die ein Nachjustieren der Vorspannung des elastischen Elements und/oder eine erneute Kalibration erforderlich machen würde und/oder die die Messeigenschaften, insb. die Messgenauigkeit des Druckmessaufnehmers nachhaltig beeinträchtigen würde.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Prozessdichtung zeichnet sich dadurch aus, das
- der Dichtungskern entweder ein einteiliger Dichtungskern aus einem formstabilen
Material, insb. aus Keramik, ist, oder einen inneren Ringkörper, insb. einen inneren Ringkörper aus Keramik, umfasst, der von einem äußeren, eine größere Höhe aufweisenden Ringkörper, insb. einem äußeren Ringkörper aus Titan, umgeben ist, und/oder
- die Beschichtung (47) aus Polytetrafluorethylen (PTFE), aus Fluorethylen-Propylen (FEP), aus Perfluoralkoxyalkan (PFA) oder aus einem Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorethylen-Propylen (FEP) oder Perfluoralkoxyalkan (PFA) umfassenden
thermoplastischen Dichtungsmaterial besteht.
Eine erste Weiterbildung der Prozessdichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Beschichtung der Prozessdichtung nach der Ausführung des Voralterungsverfahrens eine Schichtdicke aufweist, die größer gleich einer Mindestdicke von 15 pm, insb. größer gleich einer Mindestdicke von 20 μιη ist, wobei die Schichtdicke insb. kleiner gleich einer
Maximaldicke von 70 μητι, insb. kleiner gleich einer Maximaldicke von 50 μπΊ, insb. kleiner gleich einer Maximaldicke von 30 μιτι ist.
Eine zweite Weiterbildung der Prozessdichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Prozessdichtung als eine nach Abschluss des Voralterungsverfahrens einer
Nachbehandlung unterzogene Prozessdichtung ausgebildet ist, bei der während des Voralterungsverfahrens geflossenes, überschüssiges Dichtungsmaterial durch die
Nachbehandlung entfernt wurde, wobei das überschüssige Dichtungsmaterial insb. durch glattes Abschneiden entfernt wurde.
Eine weitere Ausgestaltung der Prozessdichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Beschichtung zumindest über die einander gegenüberliegenden, im Druckmessaufnehmer dem Rand der Stirnseite des Drucksensor und der Dichtfläche des Prozessanschlusses zugewandten Oberflächen des Dichtungskerns erstreckt, wobei sich die Beschichtung insb. auch über mindestens eine weitere Oberfläche, insb. eine äußere Mantelfläche, des Dichtungskerns erstreckt und/oder als eine den Dichtungskern allseitig umgebende Ummantelung ausgebildet ist.
Des Weiteren umfasst die Erfindung einen eine erfindungsgemäße Prozessdichtung umfassenden Druckmessaufnehmer, der sich dadurch auszeichnet, dass der
Druckmessaufnehmer
- den in das Sensorgehäuse eingefassten Drucksensor,
- den mittels der lösbaren mechanischen Verbindung mit dem Sensorgehäuse
verbindbaren Prozessanschluss,
- den durch den Prozessanschluss und die im Sensorgehäuse vorgesehene Öffnung hindurch bis zum Drucksensor führenden Druckübertragungskanal, über den die
Stirnseite des Drucksensor mit dem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist,
- die Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors und der Prozessdichtung umfasst, die das in parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors verlaufender Richtung elastische, unter der Vorspannung stehende Element umfasst, und
- die Prozessdichtung zwischen dem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors und der Dichtfläche des Prozessanschlusses eingespannt ist. Weiterbildungen des Druckmessaufnehmers zeichnen sich dadurch aus, dass
- das elastische Element der Einspannvorrichtung auf einer vom Prozessanschluss abgewandten Rückseite des Drucksensors zwischen dem Drucksensor und einem Gegenlager, insb. einem Druckring, eingespannt ist,
- das elastische Element ein Federsystem und/oder eine oder mehrere aufeinander angeordnete Federn, insb. eine oder mehrere Tellerfedern, umfasst,
- zwischen dem Drucksensor und dem elastischem Element ein Entkopplungsring
angeordnet ist,
- der Prozessanschluss einen in Spielpassung in die Öffnung eingeführten, in die Öffnung hinein ragenden Endabschnitt aufweist, dessen dem Drucksensor zugewandte Stirnseite die Dichtfläche umfasst,
- die Dichtfläche des Prozessanschlusses als Dichtungssitz ausgebildet, der eine einer Oberflächenkontur der dem Prozessanschluss zugewandten Oberfläche der
Prozessdichtung entsprechende Oberflächenkontur aufweist, und/oder
- der Prozessanschlusses einen Absatz umfasst, dessen dem Sensorgehäuse zugewandte Absatzfläche an einer als Anschlag für die lösbare Verbindung dienenden, dem
Prozessanschluss zugewandten Anschlagfläche des Sensorgehäuses anliegt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Druckmessaufnehmers zeichnet sich dadurch aus, dass
- der Drucksensor unter Zwischenfügung eines Winkelrings mit einem im Querschnitt im Wesentlichen L-förmigen Profi! in eine Ausnehmung im Sensorgehäuse eingesetzt ist, und
- der Winkelring einen im Wesentlichen zylindrischen, in einem Ringspalt zwischen dem Drucksensor und einer diesen außenseitlich umgebenden Innenwand der Ausnehmung angeordneten Bereich und eine sich radial einwärts erstreckende, einen äußeren Randbereich der Stirnseite des Drucksensors umgreifende Schulter umfasst, und
- der Winkelring auf einem die Öffnung des Sensorgehäuses außenseitlich allseitig begrenzenden Absatz des Sensorgehäuses aufliegt,
- wobei der Winkelring insb. entweder insgesamt aus einem Elastomer besteht oder eine erste Komponente aus einem formsteifen Werkstoff umfasst, wobei die erste
Komponente einen vom Drucksensor abgewandten unteren Teil der sich radial einwärts erstreckenden Schulter umfasst, sich in axialer Richtung in den Ringspalt hinein erstreckt und mit einer zweiten Komponente aus einem elastischen Werkstoff verbunden ist, die sich in dem Ringspalt zumindest abschnittsweise zwischen einer außenseitlichen
Mantelfläche des Drucksensors und der Innenwand der Ausnehmung erstreckt.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung des Dnjckmessaufnehmers zeichnet sich dadurch aus, dass der Winkelring, insb. dessen Schulter, eine außenseitliche
Kammerung der Prozessdichtung bildet. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Prozessdichtungen und zu deren Verwendung in einem erfindungsgemäßen
Druckmessaufnehmer, das sich dadurch auszeichnet, dass
- in dem Druckmessaufnehmer einsetzbare Prozessdichtungen vorgefertigt werden, indem deren Dichtungskern mit der Beschichtung beschichtet wird und die auf diese Weise erhaltene neuwertige Dichtung mittels des auf reproduzierbare Weise durchführbaren Voralterungsverfahren vorgealtert wird, indem sie in der die Einspannkraft darauf ausübenden Einspannvorrichtung eingespannt wird, die die die darin eingespannte Prozessdichtung umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die im Wesentlichen identisch zu der die Prozessdichtung im Druckmessaufnehmer umgebenden
Einspannungsgeometrie ist, und
- eine der Prozessdichtungen in dem Druckmessaufnehmer eingespannt wird, indem der Prozessanschluss unter Zwischenfügung dieser Prozessdichtungen mittels der lösbaren mechanischen Verbindung mit dem Sensorgehäuse einer vorgefertigten, das
Sensorgehäuse, den darin eingefassten Drucksensor und die Einspannvorrichtung umfassenden Baugruppe verbunden wird, und
- die in dem Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung nachfolgend mindestens einmal gegen eine baugleiche, auf identische Weise vorgealterte Prozessdichtung ausgetauscht wird und/oder der Prozessanschluss mindestens einmal gegen einen eine andere Prozessanschlussart und/oder eine andere Prozessanschlussgeometrie aufweisenden Prozessanschluss ausgetauscht wird.
Ein erste Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
- die Beschichtungen der neuwertigen Dichtungen jeweils eine Ausgangsschichtdicke in der Größenordnung von 50 pm bis 200 pm aufweisen, und/oder
- die Beschichtungen der vorgealterten Prozessdichtungen jeweils eine Schichtdicke aufweisen,
- die größer gleich einer Mindestschichtdicke von 15 μηη, insb. von 20 pm ist, und/oder
- die kleiner gleich einer Maximaldicke von 70 pm, insb. von 50 pm, insb. von 30 pm ist. Weitere Weiterbildungen des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
- die während des Voralterungsverfahrens mittels der Einspannvorrichtung auf die Dichtung ausgeübte Einspannkraft echt größer als eine von dem unter der Vorspannung stehenden Element auf die im Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung ausgeübte, in Abhängigkeit vom Nenndruckbereich des Druckmessaufnehmers vorgegebene Einspannkraft ist, wobei insb. derart Verfahren wird, dass in Verbindung mit einer vorgegebenen Einspannkraft im Bereich von 5000 N bis 7000 N während des Voralterungsverfahrens eine Einspannkraft in der Größenordnung von 5500 N bis 7500 kN angesetzt wird,
- die Dichtung während des Voralterungsverfahrens auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer gleich einer Temperaturobergrenze eines Einsatztemperaturbereichs des Druckmessaufnehmers, insb. eines Einsatztemperaturbereichs von - 10°C bis +125° C oder von - 40°C bis + 150°C, ist, wobei sie die Temperaturobergrenze insb. um weniger als 100 °C, insb. um weniger als 50 °C, übersteigt, und/oder
- der Zeitraum, über den die Dichtung vorgealtert wird, derart bemessen ist, dass die
Dichtung während des Zeitraums einen im Hinblick auf das Fließverhalten des
Dichtungsmaterials im Wesentlichen stabilen, vorläufigen Endzustand erreicht.
Eine weitere Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
die Prozessdichtungen nach Abschluss des Voralterungsverfahrens einer Nachbehandlung unterzogen werden, bei der geflossenes, überschüssiges Dichtungsmaterial entfernt, insb. durch glattes Abschneiden entfernt, wird bevor die jeweilige Prozessdichtung in den Druckmessaufnehmer eingesetzt wird.
Eine weitere Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
vor der erstmaligen Inbetriebnahme des Druckmessaufnehmers mit einer der vorgefertigten Prozessdichtungen bei in dem Druckmessaufnehmer eingespannter Prozessdichtung
- die Vorspannung des elastischen Elements der Einspannvorrichtung vor einer
erstmaligen Inbetriebnahme des Druckmessaufnehmers derart eingestellt wird, dass die von dem Element auf den Drucksensor und die vorgealterte Prozessdichtung ausgeübte Einspannkraft in einem für einen Nenndruckbereich des Druckmessaufnehmers vorgegebenen Wertebereich liegt, und/oder
- ein Kalibrationsverfahren ausgeführt wird, bei dem eine Abhängigkeit der mittels des Drucksensors und einer daran angeschlossenen Messelektronik abgeleiteten, druckabhängigen Messgröße vom auf den Drucksensor einwirkenden, zu messenden Druck für den gesamten Druckmessbereich des Druckmessaufnehmers bestimmt und im
Druckmessaufnehmer abgespeichert wird, anhand derer der Druckmessaufnehmer im nachfolgenden Messbetrieb den zu messenden Druck bestimmt.
Eine weitere Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
der Druckmessaufnehmer nach jedem Austausch der Prozessdichtung und/oder des Prozessanschlusses den Messbetrieb mit einer im Wesentlichen unveränderten
Messgenauigkeit wieder aufnimmt, ohne dass vorab eine erneute Nachjustierung der Vorspannung des elastischen Elements und/oder eine erneute Kalibration durchgeführt wird.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt: einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer; und Fig. 2 zeigt: eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 eingekreisten Ausschnitts des Druckmessaufnehmers von Fig. 1.
Die Erfindung umfasst eine Prozessdichtung 1 für einen Druckmessaufnehmer, einen mit einer solchen Prozessdichtung 1 ausgestatteten Druckmessaufnehmer, sowie ein
Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung erfindungsgemäßer Prozessdichtungen 1.
Erfindungsgemäße Prozessdichtungen 1 sind in Druckmessaufnehmern einsetzbar, die
- einen in einem Sensorgehäuse 3 eingefassten Drucksensor 5,
- einen mittels einer lösbaren mechanische Verbindung 7 mit dem Sensorgehäuse 3 verbindbaren Prozessanschluss 9,
- einen durch den Prozessanschluss 9 und eine im Sensorgehäuse 3 vorgesehene Öffnung 11 hindurch bis zum Drucksensor 5 führenden Druckübertragungskanal 13, über den eine Stirnseite des Drucksensor 5 mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist, und
- eine Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors 5 und der zwischen einem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors 5 und einer Dichtfläche 17 des
Prozessanschlusses 9 einspannbaren Prozessdichtung 1 umfassen, wobei die
Einspannvorrichtung ein in axialer, d.h. parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors 5 verlaufender Richtung elastisches, bei eingespannter Prozessdichtung 1 unter einer Vorspannung stehendes Element 15 umfasst.
Fig. 1 zeigt eine Schnittzeichnung eines Ausführungsbeispiels eines solchen
Druckmessaufnehmers. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1
eingekreisten Ausschnitts des Druckmessaufnehmers von Fig. 1.
In diesen Druckmessaufnehmern können aus dem Stand der Technik bekannte
Drucksensoren eingesetzt werden, deren Stirnseite mit dem unter Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist. Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel hierzu einen
Drucksensor 5 mit einem Grundkörper 19 und einer unter Einschluss einer Druckkammer 21 mit dem Grundkörper 19 verbundenen, durch einen auf deren Außenseite einwirkenden Druck verformbaren Messmembran 23 aus einem gegenüber dem Medium beständigen Material, wie z.B. Keramik. Der Drucksensor 5 umfasst einen elektromechanischen Wandler, der die vom auf die Messmembran 23 einwirkenden Druck abhängige
Durchbiegung der Messmembran 23 in eine vom zu messenden Druck abhängige, elektrische Größe umwandelt, die mittels einer an den Drucksensor 5, insb. dessen Wandler, angeschlossenen Messelektronik 25 erfasst und in eine vom zu messenden Druck anhängige Messgröße umgewandelt wird. Als ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 1 ein kapazitiver Wandler dargestellt, der eine auf einer membran-zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 19 angeordnete Elektrode 27 umfasst, die zusammen mit einer auf einer grundkörper-zugewandten Innenseite der Messmembran 15 angeordneten Gegenelektrode 29 einen Kondensator mit einer von der Verformung der Messmembran 21 abhängigen Kapazität bildet. Alternativ kann natürlich auch ein auf einem anderen
Wandlerprinzip beruhender elektromechanischer Wandler, wie z.B. ein optischer, interferometrischer oder piezoresistiver Wandler eingesetzt werden.
Der hier als Beispiel dargestellte Prozessanschluss 9 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen, den Druckübertragungskanal 13 außenseitlich umgebenden Abschnitt, der außenseitlich von einem sich radial nach außen erstreckenden Absatz 31 umgeben ist, dessen dem Sensorgehäuse 3 zugewandte Absatzfläche an einer als Anschlag für die lösbare Verbindung 7 dienenden, dem Prozessanschluss 9 zugewandten Anschlagfläche des Sensorgehäuses 3 anliegt. Hierüber ist eine hochpräzise, jederzeit reproduzierbare Positionierbarkeit des Prozessanschlusses 9 in Relation zum Sensorgehäuse 3 gegeben. Der zylindrische Abschnitt kann optional einen außenseitlich in Spielpassung in die Öffnung 11 eingeführten, in die Öffnung 11 hinein ragenden Endabschnitt aufweisen, dessen dem Drucksensor 5 zugewandte Stirnseite die Dichtfläche 17 des Prozessanschlusses 9 umfasst. Die Dichtfläche 17 ist vorzugsweise als Dichtungssitz ausgebildet, der eine einer Oberflächenkontur der dem Prozessanschluss 9 zugewandten Oberfläche der
Prozessdichtung 1 entsprechende Oberflächenkontur aufweist.
Das elastische Element 15 der Einspannvorrichtung ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass es eine in Richtung der Stirnseite des Drucksensors 5 gerichtete Einspannkraft auf eine der Stirnseite des Drucksensors 5 gegenüberliegende Rückseite des Drucksensors 5 ausübt.
Die Vorspannung des elastischen Elements 15 ist vorzugsweise derart bemessen bzw. eingestellt, dass die von dem Element 15 auf den Drucksensor 5 und die Prozessdichtung 1 ausgeübte Einspannkraft in einem für einen häufig auch als Nenndruckbereich bezeichnet Druckmessbereich des Druckmessaufnehmers vorgegebenen Wertebereiche liegt. Dieser Wertebereich ist derart bemessen, dass die Einspannkraft im gesamten Druckmessbereich groß genug ist, um eine ausreichende Dichtwirkung der eingespannten Prozessdichtung 1 zu gewährleisten. So kann für einen Druckmessaufnehmer mit einem Nenndruckbreich von 100 bar beispielsweise eine Einspannkraft im Bereich von 5000 N bis 7000 N angesetzt werden.
Dabei ist durch die Einfassung des Drucksensors 5 im Sensorgehäuse 3 sichergestellt, dass der Drucksensor 5 auch dann nicht durch die Öffnung 11 aus dem Sensorgehäuses 3 heraus gedrückt wird, wenn der Prozessanschluss 9 entfernt wird. Hierzu genügt es bereits, wenn die außenseitlich allseitig von einem Absatz 33 des Sensorgehäuses 3 umgebene Öffnung 11 eine Grundfläche aufweist, die kleiner als eine Grundfläche der Stirnseite des Drucksensors 5 ist.
Optional kann der Drucksensor 5 unter Zwischenfügung eines in Fig. 1 als Option dargestellten Winkelrings 35 mit einem im Querschnitt im Wesentlichen L-förmigen Profil in eine Ausnehmung im Sensorgehäuse 3 eingesetzt sein. Der Winkelring 35 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Bereich, der in einem Ringspalt zwischen dem Drucksensor 5 und der diesen außenseitlich umgebenden Innenwand der Ausnehmung angeordnet ist, sowie eine sich radial einwärts erstreckende Schulter 37, die einen äußeren Randbereich der Stirnseite des Drucksensors 5 umgreift. Der Winkelring 35 dient der Positionierung des Drucksensors 5 in einer in radialer Richtung exakt definierten Position im Sensorgehäuse 3 und schützt den Drucksensor 5 vor in radialer Richtung darauf einwirkenden Kräften, wie z.B. thermomechanischen Spannungen. Hierzu genügt bereits ein einteiliger, aus einem Elastomer bestehender Winkelring. Vorzugsweise wird der Winkelring 35 jedoch auf die in der DE 10 2010 029 955 A1 beschriebene Weise ausgebildet. Diese Ausführungsform ist in Fig. 1 dargestellt. Dort umfasst der Winkelring 35 eine erste Komponente aus einem formsteifen Werkstoff, die einen vom Drucksensor 5 abgewandten, unteren Teil der sich radial einwärts erstreckenden Schulter 37 umfasst und sich in axialer Richtung in den Ringspalt hinein erstreckt. Zusätzlich umfasst er eine mit der ersten Komponente verbundene zweite Komponente aus einem elastischen Werkstoff, die sich in dem
Ringspalt zumindest abschnittsweise zwischen der außenseitlichen Mantelfläche des Drucksensors 5 und der Innenwand der Ausnehmung erstreckt.
Der Winkelring 35 liegt auf dem die Öffnung 11 außenseitlich allseitig begrenzenden Absatz 33 des Sensorgehäuses 3 auf. Zusätzlich ist er vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass dessen Schulter 37 die Prozessdichtung 1 außenseitlich allseitig umgibt, wobei die Schulter 37 vorzugsweise derart geformt ist, dass sie eine außenseitliche Kammerung der Prozessdichtung 1 bildet. Bei der in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellten Einspannvorrichtung ist das elastische Element 15 zwischen dem Drucksensor 5 und einem auf der vom
Prozessanschluss 9 abgewandten Rückseite des Drucksensors 5 angeordneten
Gegenlager 39 eingespannt. Als Gegenlager 39 eignet sich insoweit z.B. ein in das Sensorgehäuse 3 eingesetzter bzw. eingeschraubter Druck ring, über dessen
Positionierung die Vorspannung des elastischen Elements 15 einstellbar ist. Das elastische Element 15 kann beispielsweise ein Federsystem umfassen und/oder eine oder mehrere aufeinander angeordnete, in axialer Richtung elastische Federn, wie z.B. die in Fig. 1 dargestellten Tellerfedern, umfassen. Das axial elastische Element 15 kann unmittelbar auf der vom Prozessanschluss 9 abgewandten Rückseite des Drucksensors 5 angeordnet sein. Vorzugsweise ist zwischen Drucksensor 5 und dem elastischen Element 15 ein in Fig. 1 als Option dargestellter Entkopplungsring 41 angeordnet. Der Entkopplungsring 41 besteht vorzugsweise aus einem an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensors 5 angepassten Material, z.B. aus Keramik, und schützt den Drucksensor 5 vor in radialer Richtung darauf einwirkenden, z.B. durch das elastische Element 15 und/oder durch thermomechanischen Spannungen verursachten Kräften.
Fig. 1 zeigt als ein Beispiel einer lösbaren mechanischen Verbindung 7 zwischen
Sensorgehäuse 3 und Prozessanschluss 9 eine Schraubverbindung, die mehrere, jeweils durch eine im Prozessanschluss 9 vorgesehene Durchgangsbohrung hindurch in eine zugehörige im Sensorgehäuse 3 vorgesehene Sacklochbohrung einschraubbare bzw. eingeschraubte Schrauben 43 umfasst. Alternativ kann die lösbare mechanische
Verbindung 7 natürlich auch auf andere dem Fachmann bekannte Weise realisiert werden. Beispiele hierfür sind auf das Sensorgehäuse 3 oder den Prozessanschluss 9 aufsteckbare Überwurfmuttern, die auf ein Außengewinde des anderen Verbindungspartners
aufgeschraubt werden, oder auf einem Klemmmechanismus (Clamp-on) basierende Verbindungen.
Die Prozessdichtung 1 umfasst einen formstabilen Dichtungskern 45 und eine auf den Dichtungskem 45 aufgebrachte Beschichtung 47 aus einem thermoplastischen
Dichtungsmaterial.
Als thermoplastisches Dichtungsmaterial eignet sich z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorethylen-Propylen (FEP), Perfluoralkoxyalkan (PFA), oder ein PTFE, FEP oder PFA umfassendes Dichtungsmaterial. Die Beschichtung 47 erstreckt sich zumindest über die einander gegenüberliegenden, im Druckmessaufnehmer dem Rand der Stirnseite des Drucksensor 5 und der Dichtfläche 17 des Prozessanschlusses 9 zugewandten Oberflächen des Dichtungskems 45. Zusätzlich kann sich die Beschichtung 47 auch über weitere Oberflächen des Dichtungskerns 45 erstrecken und/oder als eine den Dichtungskem 45 allseitig umgebende Ummantelung ausgebildet sein. Fig. 1 und 2 zeigen hierzu ein Ausführungsbeispiel bei dem die
Beschichtung 47 als eine sich über die einander gegenüberliegenden Oberflächen und eine äußere Mantelfläche des Dichtungskerns 45 erstreckende Hülle ausgebildet ist.
Der Dichtungskern 45 kann als einteiliger Kern ausgebildet sein. In diesem in Fig. 1 und 2 dargestellten Fall besteht er vorzugsweise aus einem ein Material, wie z.B. Keramik, dass einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensors 5 angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Alternativ kann aber auch ein zwei- oder mehrteiliger Dichtungskern, wie z.B. der in der am 11. Januar 2017 eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2017 100 402.5 beschriebene, zweiteilige Dichtungskern, verwendet werden. Dieser umfasst einen inneren Ringkörper, z.B. einem Ringkörper aus Keramik, der von einem äußeren, eine größere Höhe aufweisenden Ringkörper, z.B. einem Ringkörper aus Titan, umgeben ist. Zur Funktionsweise und zu Ausführungsformen derartiger Dichtungskerne wird auf die vorgenannte deutsche Patentanmeldung verwiesen.
Unabhängig von der diesbezüglichen Ausgestaltung bewirkt der Dichtungskern 45 sowohl beim Einspannen der Prozessdichtung 1 als auch im eingespannten Zustand eine formstabile Abstützung der thermoplastischen Beschichtung 47. Das bietet den Vorteil, dass die P rozessd ichtu nge n 1 vergleichsweise große Außenabmessungen aufweisen können, ohne dass hierzu eine entsprechend große Menge an thermoplastischem
Dichtungsmaterial eingesetzt werden muss.
Erfindungsgemäße Prozessdichtungen 1 zeichnen sich dadurch aus, dass sie als in einem in reproduzierbarer Weise ausführbaren Voralterungsverfahren vorgealterte, als austauschbare Komponente in dem Druckmessaufnehmer einsetzbare Prozessdichtungen 1 ausgebildet sind, die während des Voralterungsverfahrens in einer eine Einspannkraft darauf ausübenden Einspannvorrichtung eingespannt war. Dabei wird im Hinblick auf den späteren Verwendungszweck der austauschbaren Prozessdichtung 1 eine
Einspannvorrichtung eingesetzt, die eine die darin eingespannte Dichtung umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die im Wesentlichen identisch zu der die
Prozessdichtung 1 im Druckmessaufnehmer umgebenden Einspannungsgeometrie ist.
Diese Prozessdichtungen 1 werden erzeugt, indem deren Dichtungskern 45 mit der Beschichtung 47 beschichtet wird und die auf diese Weise erhaltene neuwertige Dichtung mittels des Voralterungsverfahrens vorgealtert wird. Dabei kann die Beschichtung 47 der neuwertigen Dichtung beispielsweise eine Ausgangsschichtdicke in der Größenordnung von 50 pm bis 200 pm aufweisen. Anschließend wird die neuwertige Dichtung dem auf reproduzierbare Weise ausführbaren Voralterungsverfahren unterzogen. Hierzu eignet sich insb. ein Verfahren, bei dem die Dichtung bei einer vorgegebenen Temperatur über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg in der Einspannvorrichtung eingespannt ist. Dabei wird die mittels der Einspannvorrichtung auf die Dichtung ausgeübte Einspannkraft vorzugsweise derart bemessen, dass sie echt größer als die von dem unter der
Vorspannung stehenden Element 15 auf die im Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung 1 ausgeübte Einspannkraft ist. So kann beispielsweise zur Erzeugung einer vorgealterten Prozessdichtung 1 für einen Druckmessaufnehmer mit einem
Nenndruckbereich von 100 bar, in dem die vorgealterte Prozessdichtung 1 mit einer Einspannkraft im Bereich von 5000 N bis 7000 N im Druckmessaufnehmer eingespannt wird, während des Voralterungsverfahrens eine Einspannkraft in der Größenordnung von 5500 N bis 7500 kN angesetzt werden. Da thermoplastische Dichtungsmaterialien nicht nur unter Druck sondern auch über Temperatur fließen und Druckmessaufnehmeren regelmäßig in einem größeren
Einsatztemperaturbereich, z.B. einem Temperaturbereich von - 10°C bis +125° C oder sogar von - 40°C bis + 150°C, eingesetzt werden, wird die vorgegebene Temperatur, auf die die Dichtung während des Voralterungsverfahrens erwärmt wird, vorzugsweise derart bemessen, dass sie größer gleich einer Temperaturobergrenze des
Einsatztemperaturbereichs ist, wobei sie die Temperaturobergrenze vorzugsweise um weniger als 100 °C, besonders bevorzugt um weniger als 50°C, übersteigt.
Der Zeitraum, über den hinweg die Dichtung vorgealtert wird, ist vorzugsweise derart bemessen, dass die Dichtung während des Zeitraums einen im Hinblick auf das
Fließverhalten des Dichtungsmaterials im Wesentlichen stabilen, vorläufigen Endzustand erreicht.
Dabei werden während des Voralterungsverfahrens durch das Setzen und/oder Fließen des Dichtungsmaterials unter Druck und Temperatur verursachte Änderungen der parallel zur Einspannrichtung der jeweiligen Dichtung verlaufenden Höhe der Dichtung
vorzugsweise durch die Einspannvorrichtung ausgeglichen. Hierzu kann diese z.B. ein unter Vorspannung stehendes elastisches Element, wie z.B. eine Feder, umfassen, dessen Vorspannung bei Bedarf nachjustierbar ist.
Optional können die nach Abschluss des Voralterungsverfahrens zur Verfügung stehenden Prozessdichtungen 1 einer Nachbehandlung unterzogen werden, bei der geflossenes, überschüssiges Dichtungsmaterial entfernt wird. Diese Nachbehandlung ist insb. bei Prozessdichtungen 1 von Vorteil, die in Druckmessaufnehmern eingesetzt werden, die an Einsatzorten betrieben werden, an denen hohe Anforderungen an die Hygiene und die
Reinigbarkeit bestehen. Dort kann z.B. durch ein glattes Abschneiden des überschüssigen Materials während der Nachbehandlung erreicht werden, dass der Druckübertragungskanal 13 im Bereich der Prozessdichtung 1 eine leicht zu reinigende, im Wesentlichen hohlraum- und hinterschneidungsfreie innere Oberfläche aufweist.
In der Fachwelt wird heute die Ansicht vertreten, dass thermoplastische
Dichtungsmaterialien umfassende Dichtungen aufgrund des für deren Dichtwirkung mitverantwortlichen Fließverhaltens dieser Dichtungsmaterialien nur einmal verwendet werden können. Entgegen dieser herrschenden Meinung konnte durch Untersuchungen der Anmelderin gezeigt werden, dass das thermoplastische Dichtungsmaterial der vorgealterten Prozessdichtung 1 trotz deren durch die Voralterung angenommen im Wesentlichen stabilen, vorläufigen Endzustands bei einer nachfolgenden Einspannung der vorgealterten Prozessdichtung 1 im Druckmessaufnehmer in ausreichendem Maße nachfließt, um ggfs. vorhandene Unebenheiten der Dichtflächen von Drucksensor 5 und Prozessanschluss 25 auszugleichen und so eine hochwertige, druckdichte Abdichtung zu bewirken. Mit erfindungsgemäßen Prozessdichtungen 1 können Dichtigkeiten mit einer Helium-Leckrate in der Größenordnung von 10~7 mbar l/s erzielt werden.
Insoweit hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Beschichtung 47 auf den Dichtungskem 45 mit einer Ausgangsschichtdicke aufzubringen, die derart bemessen ist, dass die Schichtdicke der daraus durch das Voralterungsverfahren erzeugten vorgealterten Prozessdichtung 1 größer gleich einer Mindestdicke von 15 pm, besonders bevorzugt sogar größer gleich einer Mindestdicke von 20 pm ist. Zugleich ist die durch das Nachfließen des thermoplastischen Dichtungsmaterial erfindungsgemäßer Prozessdichtungen 1 nach deren Einspannung im
Druckmessaufnehmer eintretende Verformung dieser Prozessdichtungen 1 jedoch so gering, dass sich die auf den Drucksensor 5 einwirkenden Einspannkräfte durch einen Austausch einer erfindungsgemäßen vorgealterten Prozessdichtung 1 gegen eine andere baugleiche, auf die gleiche Weise vorgealterte erfindungsgemäße Prozessdichtung 1 gar nicht oder nur in sehr geringem Maße verändern.
Insoweit hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Beschichtung 47 auf den Dichtungskern 45 mit einer Ausgangsschichtdicke aufzubringen, die derart bemessen ist, dass die Schichtdicke der daraus durch das Voralterungsverfahren erzeugten vorgealterten Prozessdichtung 1 kleiner gleich einer Maximaldicke von 70 pm, vorzugsweise kleiner gleich einer Maximaldicke von 50 pm und besonders bevorzugt sogar kleiner gleich einer Maximaldicke von 30 pm ist. Desweiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Prozessdichtungen 1 und deren Verwendung in einem erfindungsgemäßen
Druckmessaufnehmer. Dabei wird derart verfahren, dass in dem Druckmessaufnehmer einsetzbare erfindungsgemäße Prozessdichtungen 1 auf die zuvor beschriebene Weise vorgefertigt werden.
Anschließend wird eine dieser Prozessdichtungen 1 in dem Druckmessaufnehmer eingespannt, indem dessen Prozessanschluss 9 unter Zwischenfügung dieser
Prozessdichtung 1 mittels der lösbaren mechanischen Verbindung 7 mit dem
Sensorgehäuse 3 einer vorgefertigten, das Sensorgehäuse 3, den darin eingefassten Drucksensor 5 und die Einspannvorrichtung einschließlich des elastischen Elements 15 umfassenden Baugruppe verbunden wird.
Zusätzlich wird vorzugsweise derart Verfahren, dass die Vorspannung des elastischen Elements 15 der Einspannvorrichtung vor der erstmaligen Inbetriebnahme des
Druckmessaufnehmers mit einer erfindungsgemäßen Prozessdichtung 1 bei in dem Druckmessaufnehmer eingespannter Prozessdichtung 1 derart eingestellt wird, dass die von dem elastischen Element 15 auf den Drucksensor 5 und die im Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung 1 ausgeübte Einspannkraft in dem für den
Nenndruckbereich des Druckmessaufnehmers vorgegebenen Wertebereich liegt.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wird vorzugsweise derart Verfahren, dass vor der erstmaligen Inbetriebnahme des Druckmessaufnehmers mit einer erfindungsgemäßen Prozessdichtung 1 bei in dem Druckmessaufnehmer eingespannter Prozessdichtung 1 ein Kalibrationsverfahren ausgeführt, bei dem eine Abhängigkeit der mittels des Drucksensors 5 und der daran angeschlossenen Messelektronik 25 abgeleiteten, druckabhängigen Messgröße vom auf den Drucksensor 5 einwirkenden, zu messenden Druck für den gesamten Druckmessbereich des Druckmessaufnehmers bestimmt und im
Druckmessaufnehmer abgespeichert wird. Im Anschluss kann der Druckmessaufnehmer erstmalig einen Messbetrieb aufnehmen, während dessen er anhand der im Messbetrieb bestimmten Messgröße und deren Abhängigkeit vom auf den Drucksensor 5 einwirkenden Druck den zu messenden Druck bestimmt.
Nachfolgend wird derart Verfahren, dass die im Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung 1 mindestens einmal gegen eine baugleiche, auf identische Weise vorgealterte erfindungsgemäße Prozessdichtung 1 ausgetauscht wird und/oder der Prozessanschluss 9 mindestens einmal gegen einen Prozessanschluss 9 anderer
Prozessanschlussart und/oder anderer Prozessanschlussgeometrie ausgetauscht wird.
Nach jedem Austausch der Prozessdichtung 1 und/oder des Prozessanschlusses 9 nimmt der Druckmessaufnehmer den Messbetrieb mit im Wesentlichen unveränderter
Messgenauigkeit wieder auf, ohne dass vorab eine Nachjustierung der Vorspannung des elastischen Elements 15 und/oder eine erneute Kalibration durchgeführt werden muss.
Die Austauschbarkeit der Prozessdichtung 1 ist insb. in Anwendungen von Vorteil, in denen hohe Anforderungen an die Hygiene und die Reinigbarkeit der Druckmessaufnehmer gestellt werden. Dort bietet sie den weiteren Vorteil, dass die Prozessdichtung 1 ausgebaut werden kann, um einen in einigen Branchen erforderlichen Nachweis führen zu können, dass eine zuvor durchgeführte Reinigung erfolgreich durchgeführt wurde. Darüber hinaus bietet der modulare Aufbau erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer im Hinblick auf die in der industriellen Messtechnik verwendete Vielfalt unterschiedlicher Prozessanschlussarten und -geometrien den Vorteil, dass vorgefertigte, das
Sensorgehäuse 3, den Drucksensor 5 und die Einspannvorrichtung umfassende
Baugruppen bedarfsabhängig mit Prozessanschlüssen 9 unterschiedlichster
Prozessanschlussart und/oder unterschiedlicher Prozessanschlussgeometrie ausgestattet werden können. Der in Fig. 1 dargestellte Prozessanschluss 9 umfasst als ein mögliches Beispiel ein Außengewinde 49, das in ein am Einsatzort vorgesehenes hierzu
komplementäres Innengewinde einschraubbar ist. Alternativ können natürlich auch Prozessanschlüsse 9 eingesetzt werden, die mit einem Anschluss einer anderen
Anschlussart oder -geometrie, wie z.B. einem Flansch oder einer Milchrohrverschraubung, ausgestattet sind.
Bezugszeichenliste
I Prozessdichtung
3 Sensorgehäuse
5 Drucksensor
7 lösbare mechanische Verbindung
9 Prozessanschluss
I I Öffnung
13 Druckübertragungskanal
15 elastische Element
17 Dichtfläche
19 Grundkörper
21 Druckkammer
23 Messmembran
25 Messeiektronik
27 Elektrode
29 Gegenelektrode
31 Absatz
33 Absatz
35 Winkelring
37 Schulter
39 Gegenlager
41 Entkopplungsring
43 Schrauben
45 Dichtungskem
47 Beschichtung
49 Außengewinde

Claims

Patentansprüche
1. Prozessdichtung (1 ) mit einem formstabilen Dichtungskern (45) und einer auf den Dichtungskern (45) aufgebrachten Beschichtung (47) aus einem thermoplastischen Dichtungsmaterial für einen Druckmessaufnehmer, wobei der Druckmessaufnehmer
- einen in einem Sensorgehäuse (3) eingefassten Drucksensor (5),
- einen mittels einer lösbaren mechanischen Verbindung (7) mit dem Sensorgehäuse (1 ) verbindbaren Prozessanschluss (9),
- einen durch den Prozessanschluss (9) und eine im Sensorgehäuse (3) vorgesehene
Öffnung (11 ) hindurch bis zum Drucksensor (3) führenden Druckübertragungskanal (13), über den eine Stirnseite des Drucksensors (3) mit einem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist, und
- eine Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors (5) und der zwischen einem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors (5) und einer Dichtfläche (17) des Prozessanschlusses (9) einspannbaren Prozessdichtung (1 ) umfasst, wobei die
Einspannvorrichtung ein in einer parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors (5) verlaufenden Richtung elastisches, bei eingespannter Prozessdichtung (1 ) unter einer Vorspannung stehendes Element (15) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessdichtung (1 )
- eine in einem auf reproduzierbare Weise durchführbaren Voralterungsverfahren
vorgealterte, in dem Druckmessaufnehmer als austauschbare Komponente einsetzbare Prozessdichtung (1 ) ist, die während des Voralterungsverfahrens in einer eine
Einspannkraft darauf ausübenden Einspannvorrichtung eingespannt war, die eine die darin eingespannte Prozessdichtung (1 ) umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die im Wesentlichen identisch zu der die Prozessdichtung (1 ) im Druckmessaufnehmer umgebenden Einspannungsgeometrie ist.
2. Prozessdichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das
- der Dichtungskern (45) entweder ein einteiliger Dichtungskern (45) aus einem
formstabilen Material, insb. aus Keramik, ist, oder einen inneren Ringkörper, insb. einen inneren Ringkörper aus Keramik, umfasst, der von einem äußeren, eine größere Höhe aufweisenden Ringkörper, insb. einem äußeren Ringkörper aus Titan, umgeben ist, und/oder
- die Beschichtung (47) aus Polytetrafluorethylen (PTFE), aus Fluorethylen-Propylen (FEP), aus Perfluoralkoxyalkan (PFA) oder aus einem Polytetrafluorethylen (PTFE),
Fluorethylen-Propylen (FEP) oder Perfluoralkoxyalkan (PFA) umfassenden
thermoplastischen Dichtungsmaterial besteht.
3. Prozessdichtung gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, das die
Beschichtung (47) der Prozessdichtung (1 ) nach der Ausführung des Voralterungsverfahrens eine Schichtdicke aufweist, die größer gleich einer Mindestdicke von 15 μιτι, insb. größer gleich einer Mindestdicke von 20 μιη ist, wobei die Schichtdicke insb. kleiner gleich einer Maximaldicke von 70 pm, insb. kleiner gleich einer Maximaldicke von 50 μιη, insb. kleiner gleich einer Maximaldicke von 30 μιτι ist.
4. Prozessdichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Prozessdichtung (1 ) als eine nach Abschluss des Voralterungsverfahrens einer
Nachbehandlung unterzogene Prozessdichtung (1 ) ausgebildet ist, bei der während des Voralterungsverfahrens geflossenes, überschüssiges Dichtungsmaterial durch die Nachbehandlung entfernt wurde, wobei das überschüssige Dichtungsmaterial insb. durch glattes Abschneiden entfernt wurde.
5. Prozessdichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, das sich die Beschichtung (47) zumindest über die einander gegenüberliegenden, im
Druckmessaufnehmer dem Rand der Stirnseite des Drucksensor (5) und der Dichtfläche (17) des Prozessanschlusses (9) zugewandten Oberflächen des Dichtungskems (45) erstreckt, wobei sich die Beschichtung (47) insb. auch über mindestens eine weitere Oberfläche, insb. eine äußere Mantelfläche, des Dichtungskerns (45) erstreckt und/oder als eine den Dichtungskem (45) allseitig umgebende Ummantelung ausgebildet ist.
6. Eine Prozessdichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 bis 5 umfassender Druckmessaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessaufnehmer
- den in das Sensorgehäuse (1 ) eingefassten Drucksensor (5),
- den mittels der lösbaren mechanischen Verbindung (7) mit dem Sensorgehäuse (3) verbindbaren Prozessanschluss (9),
- den durch den Prozessanschluss (9) und die im Sensorgehäuse (3) vorgesehene Öffnung (11 ) hindurch bis zum Drucksensor (5) führenden Druckübertragungskanal (13), über den die Stirnseite des Drucksensor (5) mit dem unter einem zu messenden Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist,
- die Einspannvorrichtung zur Einspannung des Drucksensors (5) und der Prozessdichtung (1 ) umfasst, die das in parallel zur Flächennormale auf die Stirnseite des Drucksensors (5) verlaufender Richtung elastische, unter der Vorspannung stehende Element (15) umfasst, und
- die Prozessdichtung (1 ) zwischen dem äußeren Rand der Stirnseite des Drucksensors (5) und der Dichtfläche (17) des Prozessanschlusses (9) eingespannt ist.
7. Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- das elastische Element (15) der Einspannvorrichtung auf einer vom Prozessanschluss (9) abgewandten Rückseite des Drucksensors (5) zwischen dem Drucksensor (5) und einem
Gegenlager (39), insb. einem Druckring, eingespannt ist, - das elastische Element (15) ein Federsystem und/oder eine oder mehrere aufeinander angeordnete Federn, insb. eine oder mehrere Tellerfedern, umfasst,
- zwischen dem Drucksensor (5) und dem elastischem Element (15) ein Entkopplungsring (41 ) angeordnet ist,
- der Prozessanschluss (9) einen in Spielpassung in die Öffnung (1 ) eingeführten, in die Öffnung (11 ) hinein ragenden Endabschnitt aufweist, dessen dem Drucksensor (5) zugewandte Stirnseite die Dichtfläche (17) umfasst,
- die Dichtfläche (17) des Prozessanschlusses (9) als Dichtungssitz ausgebildet, der eine einer Oberflächenkontur der dem Prozessanschluss (9) zugewandten Oberfläche der Prozessdichtung (1 ) entsprechende Oberflächenkontur aufweist, und/oder
- der Prozessanschlusses (9) einen Absatz (31 ) umfasst, dessen dem Sensorgehäuse (3) zugewandte Absatzfläche an einer als Anschlag für die lösbare Verbindung (7) dienenden, dem Prozessanschluss (9) zugewandten Anschlagfläche des
Sensorgehäuses (3) anliegt.
8. Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Drucksensor (5) unter Zwischenfügung eines Winkelrings (35) mit einem im
Querschnitt im Wesentlichen L-förmigen Profil in eine Ausnehmung im Sensorgehäuse (3) eingesetzt ist, und
- der Winkelring (35) einen im Wesentlichen zylindrischen, in einem Ringspalt zwischen dem Drucksensor (5) und einer diesen außenseitlich umgebenden Innenwand der Ausnehmung angeordneten Bereich und eine sich radial einwärts erstreckende, einen äußeren Randbereich der Stirnseite des Drucksensors (3) umgreifende Schulter (37) umfasst, und
- der Winkelring (35) auf einem die Öffnung (11 ) des Sensorgehäuses (3) außenseitlich allseitig begrenzenden Absatz (33) des Sensorgehäuses (3) aufliegt,
- wobei der Winkelring (35) insb. entweder insgesamt aus einem Elastomer besteht oder eine erste Komponente aus einem formsteifen Werkstoff umfasst, wobei die erste Komponente einen vom Drucksensor (5) abgewandten unteren Teil der sich radial einwärts erstreckenden Schulter (37) umfasst, sich in axialer Richtung in den Ringspalt hinein erstreckt und mit einer zweiten Komponente aus einem elastischen Werkstoff verbunden ist, die sich in dem Ringspalt zumindest abschnittsweise zwischen einer außenseitlichen Mantelfläche des Drucksensors (5) und der Innenwand der Ausnehmung erstreckt.
9. Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelring (35), insb. dessen Schulter (37), eine außenseitliche Kammerung der Prozessdichtung (1 ) bildet.
10. Verfahren zur Herstellung von Prozessdichtungen (1 ) gemäß Anspruch 1 bis 5 und zu deren Verwendung in einem Druckmessaufnehmer gemäß Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem Druckmessaufnehmer einsetzbare Prozessdichtungen (1 ) vorgefertigt werden, indem deren Dichtungskern (45) mit der Beschichtung (47) beschichtet wird und die auf diese Weise erhaltene neuwertige Dichtung mittels des auf reproduzierbare Weise durchführbaren Voralterungsverfahren vorgealtert wird, indem sie in der die Einspannkraft darauf ausübenden Einspannvorrichtung eingespannt wird, die die die darin
eingespannte Prozessdichtung (1 ) umgebende Einspannungsgeometrie aufweist, die im Wesentlichen identisch zu der die Prozessdichtung (1 ) im Druckmessaufnehmer umgebenden Einspannungsgeometrie ist, und
- eine der Prozessdichtungen (1) in dem Druckmessaufnehmer eingespannt wird, indem der Prozessanschluss (9) unter Zwischenfügung dieser Prozessdichtungen (1 ) mittels der lösbaren mechanischen Verbindung (7) mit dem Sensorgehäuse (1 ) einer vorgefertigten, das Sensorgehäuse (1 ), den darin eingefassten Drucksensor (5) und die
Einspannvorrichtung umfassenden Baugruppe verbunden wird, und
- die in dem Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung (1 ) nachfolgend
mindestens einmal gegen eine baugleiche, auf identische Weise vorgealterte
Prozessdichtung (1 ) ausgetauscht wird und/oder der Prozessanschluss (9) mindestens einmal gegen einen eine andere Prozessanschlussart und/oder eine andere
Prozessanschlussgeometrie aufweisenden Prozessanschluss (9) ausgetauscht wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Beschichtungen (47) der neuwertigen Dichtungen jeweils eine Ausgangsschichtdicke in der Größenordnung von 50 pm bis 200 pm aufweisen, und/oder
- die Beschichtungen (47) der vorgealterten Prozessdichtungen (1 ) jeweils eine
Schichtdicke aufweisen,
- die größer gleich einer Mindestschichtdicke von 15 pm, insb. von 20 pm ist, und/oder -- die kleiner gleich einer Maximaldicke von 70 pm, insb. von 50 pm, insb. von 30 pm ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die während des Voralterungsverfahrens mittels der Einspannvorrichtung auf die Dichtung ausgeübte Einspannkraft echt größer als eine von dem unter der Vorspannung stehenden Element (15) auf die im Druckmessaufnehmer eingespannte Prozessdichtung (1 ) ausgeübte, in Abhängigkeit vom Nenndruckbereich des Druckmessaufnehmers vorgegebene Einspannkraft ist, wobei insb. derart Verfahren wird, dass in Verbindung mit einer vorgegebenen Einspannkraft im Bereich von 5000 N bis 7000 N während des Voralterungsverfahrens eine Einspannkraft in der Größenordnung von 5500 N bis 7500 kN angesetzt wird, - die Dichtung während des Voralterungsverfahrens auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer gleich einer Temperaturobergrenze eines Einsatztemperaturbereichs des Druckmessaufnehmers, insb. eines Einsatztemperaturbereichs von - 10°C bis +125° C oder von - 40°C bis + 150°C, ist, wobei sie die Temperaturobergrenze insb. um weniger als 100 °C, insb. um weniger als 50 °C, übersteigt, und/oder
- der Zeitraum, über den die Dichtung vorgealtert wird, derart bemessen ist, dass die
Dichtung während des Zeitraums einen im Hinblick auf das Fließverhalten des
Dichtungsmaterials im Wesentlichen stabilen, vorläufigen Endzustand erreicht.
13. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Prozessdichtungen (1 ) nach Abschluss des Voralterungsverfahrens einer Nachbehandlung unterzogen werden, bei der geflossenes, überschüssiges Dichtungsmaterial entfernt, insb. durch glattes Abschneiden entfernt, wird bevor die jeweilige Prozessdichtung (1 ) in den Druckmessaufnehmer eingesetzt wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor der erstmaligen Inbetriebnahme des Druckmessaufnehmers mit einer der vorgefertigten Prozessdichtungen (1 ) bei in dem Druckmessaufnehmer eingespannter Prozessdichtung
(1 )
- die Vorspannung des elastischen Elements (15) der Einspannvorrichtung vor einer erstmaligen Inbetriebnahme des Druckmessaufnehmers derart eingestellt wird, dass die von dem Element (15) auf den Drucksensor (5) und die vorgealterte Prozessdichtung (1 ) ausgeübte Einspannkraft in einem für einen Nenndruckbereich des
Druckmessaufnehmers vorgegebenen Wertebereich liegt, und/oder
- ein Kalibrationsverfahren ausgeführt wird, bei dem eine Abhängigkeit der mittels des Drucksensors (5) und einer daran angeschlossenen Messelektronik (25) abgeleiteten, druckabhängigen Messgröße vom auf den Drucksensor (5) einwirkenden, zu messenden Druck für den gesamten Druckmessbereich des Druckmessaufnehmers bestimmt und im Druckmessaufnehmer abgespeichert wird, anhand derer der Druckmessaufnehmer im nachfolgenden Messbetrieb den zu messenden Druck bestimmt.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druckmessaufnehmer nach jedem Austausch der Prozessdichtung (1 ) und/oder des Prozessanschlusses (9) den Messbetrieb mit einer im Wesentlichen unveränderten Messgenauigkeit wieder aufnimmt, ohne dass vorab eine erneute Nachjustierung der Vorspannung des elastischen Elements (15) und/oder eine erneute Kalibration
durchgeführt wird.
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