EP4204783A1 - Hydraulischer druckmittler und druckaufnehmer mit hydraulischem druckmittler - Google Patents

Hydraulischer druckmittler und druckaufnehmer mit hydraulischem druckmittler

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EP4204783A1
EP4204783A1 EP21748841.0A EP21748841A EP4204783A1 EP 4204783 A1 EP4204783 A1 EP 4204783A1 EP 21748841 A EP21748841 A EP 21748841A EP 4204783 A1 EP4204783 A1 EP 4204783A1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
holder
separating membrane
pressure transmitter
temperature sensor
Prior art date
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Pending
Application number
EP21748841.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Doria
Dennis Müller
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
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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 EP4204783A1 publication Critical patent/EP4204783A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
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    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
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    • G01L19/0618—Overload protection
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    • G01L2019/0053—Pressure sensors associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration, temperature

Definitions

  • the present invention relates to a hydraulic pressure transmitter and a pressure sensor with a hydraulic pressure transmitter.
  • Hydraulic diaphragm seals usually comprise a base body having a surface on which a separating membrane is fastened in a pressure-tight manner with at least two weld seams, so that a pressure chamber is formed between the separating membrane and the surface, which is connected to a hydraulic path via an opening in the surface of the base body communicates.
  • the pressure chamber and the hydraulic path are filled with a transmission fluid.
  • Knowing the process temperature is usually essential for controlling an industrial process.
  • the process temperature is usually recorded in two different ways. In the first option, a change in resistance of a resistor in the pressure converter is used to determine the process temperature, whereas in the second option, a temperature converter designed separately from the pressure converter is used to determine the process temperature.
  • a temperature sensor arranged next to the separating membrane which may come into contact with the media, requires either an additional opening in the media container or the media-carrying line through which the temperature sensor can be inserted, or with a given separating membrane surface, the radius of the base body must be increased by one be increased to such an extent that there is still space on the edge of the base body for installing a temperature sensor next to the separating membrane.
  • the object is achieved according to the invention by the pressure transmitter according to independent claim 1 and the pressure converter according to independent claim 13.
  • the pressure transmitter according to the invention for transmitting a pressure of a process medium comprises: a base body having a surface; and an isolating membrane attached to the surface, a pressure chamber being formed between the isolating membrane and the surface, which pressure chamber communicates with a hydraulic path via an opening in the surface, the isolating membrane can be acted upon by the process medium from a first isolating membrane side, the pressure chamber and the hydraulic path is filled with a transmission fluid to transmit the pressure of the process medium;
  • the separating membrane is a plate-shaped membrane with a peripheral edge and the plate-shaped membrane is connected to the surface of the base body in a pressure-tight manner via a weld seam, preferably a single peripheral weld seam, and the separating membrane has a central middle area
  • the pressure transmitter also having a temperature sensor for determining a measured temperature variable of the process medium and a holder for the temperature sensor for better heat transfer between the process medium and the temperature sensor, the temperature sensor being at least partially incorporated into or attached to the
  • the introduction of a thermally conductive temperature sensor holder, for example made of copper or a similar material, into the base body behind the process diaphragm is proposed.
  • the temperature sensor attaches to the bracket attached or at least partially introduced into it. This can also be done in support of a thermally conductive adhesive.
  • the holder is designed in such a way that the process diaphragm also has a stop surface on the holder against which it can be supported or applied, so that an undesired embossing of the separating diaphragm, for example due to high pressure on the process side, is prevented.
  • An advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the central recess and the holder are matched to one another in such a way that a contact surface with which the holder is in direct contact with the base body is smaller than the surface of the holder that is in a plane to of the separating membrane is in the central area.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder is made of a material with a thermal conductivity of greater than 200 W/(m*K), preferably greater than 300 W/(m*K), very particularly preferably greater than 400 W/(m *K) is trained.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder is made of copper.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder is fixed with the surface facing towards the separating membrane on the separating membrane, preferably by means of a thermally conductive adhesive layer.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder comprises a preferably rotationally symmetrical plate-shaped base and a preferably rotationally symmetrical cylindrical part adjoining the base with a recess for receiving the temperature sensor, with the holder being introduced and arranged in the base body in this way that the plate-shaped base is oriented in the direction of the separating membrane.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder is also designed in such a way that a diameter of the plate-shaped base is larger than a diameter of the cylindrical part, so that an overhang is created which serves as a stop surface for the holder and the base body is further formed such that the central recess has a stepped opening on the side facing the separating membrane, which is formed such that a tread surface of the stepped opening serves as a counter-abutment surface for the abutment surface of the holder.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder also has a ventilation opening which is designed in the holder in such a way that air which is between the separating membrane and the surface of the holder which serves as a stop surface can preferably escape through the central recess .
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the base body and the separating membrane each have a metallic material.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the holder is connected to the surface on the separating membrane facing the separating membrane by means of a thermally conductive connecting layer, preferably a thermally conductive adhesive layer, a soft-soldered connecting layer or a thermally conductive paste layer.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that the central recess is realized by several bores with different diameters and preferably extends through the entire base body.
  • a further advantageous embodiment of the pressure transmitter according to the invention provides that an intermediate space between the holder and a wall of the central recess is at least partially filled with a thermal insulation material, preferably a thermal insulation material other than air.
  • the invention further relates to a pressure converter, comprising: a pressure transmitter according to one of the configurations described above and a pressure measuring cell, to which the pressure of the process medium can be applied via the hydraulic path of the pressure transmitter, as well as an electronic circuit for converting a primary signal of the pressure measuring cell into a processed pressure-dependent generate signal.
  • the electronic circuit includes means for processing the signals of the temperature sensor for the measured temperature variable.
  • a signal from the temperature sensor is present at the input of a correction circuit for correcting a temperature error in the pressure-dependent signal.
  • Fig. 3 a detailed representation of the holder
  • Fig. 4 Data obtained by simulation to illustrate the effect of the bracket on heat transfer.
  • the pressure transducer shown in Figure 1 comprises a preferably metallic base body 1, in particular a stainless steel base body 1 with a surface 2 to which a disc-shaped separating membrane 3 is attached with a single peripheral outer weld seam 36 at its peripheral outer edge 32, whereby between the base body and the separating membrane 3 forms a pressure chamber 4 .
  • the separating membrane 3 of this embodiment example is shown as a flat disc.
  • the separating membrane can just as well have a wavy profile, i.e. have circumferential beads.
  • a bore extends from the pressure chamber 4 through the body 1 to form a hydraulic path and transmit the pressure to a pressure receiver. So that the pressure can also be transmitted accordingly, the pressure chamber is filled with a transmission liquid 7, for example an oil.
  • the components described so far relate to a pressure transmitter module which is combined with a pressure measuring cell in order to form the pressure converter according to the invention.
  • the pressure measuring cell 110 can, for example, comprise a carrier body 111 to which a piezoresistive pressure measuring element 113 is attached.
  • the pressure-measuring element 113 is preferably designed as a measuring diaphragm, which is deflected by the action of a pressure difference.
  • the pressure measuring cell 110 can be designed as a relative pressure, differential pressure or absolute pressure measuring cell. In the embodiment shown in FIG. 1, the pressure measuring cell is designed as a relative pressure measuring cell. In this case, the pressure to be measured is applied to the pressure measuring cell via a channel 112 integrated in the carrier body 111 .
  • the pressure measuring cell 11 serves as a pressure receiver of the hydraulic path realized through the channel 112 and a bore 5 connecting the channel 112 to the pressure chamber 4 .
  • the primary signal of the pressure measuring cell 110 is first pre-processed by a circuit on a circuit board 14 before it is processed further and processed for communication using the standard protocols, for example 4-20 mA or digital field bus protocols.
  • the pressure converter according to the invention also includes a temperature sensor 20, which is inserted in a central recess 80, 82 through the base body 1 of the pressure transmitter module to the back 34, i.e. the side of the separating membrane facing away from the process, in order to record the temperature of the process medium.
  • a central recess here means a recess that extends along an axis of rotation related to an outer contour of the base body.
  • the central recess can be realized, for example, by one or more bores. In the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2, the central recess is realized by a plurality of bores along the central axis of the base body.
  • the primary signal of the temperature sensor 20, for example a PT1.000 sensor, is fed to the circuit board 14 via electrical lines 17 in order to be processed as a measurement signal and, if necessary, to be used to compensate for the primary signal of the pressure sensor.
  • the temperature sensor 20 is inserted through the base body 1 of the diaphragm seal module up to the back and is therefore not in direct contact with the process medium, contamination of the medium by the temperature sensor 20, corrosion of the temperature sensor and interaction between the medium and the temperature sensor can occur 20 are excluded.
  • Such a structure is particularly suitable for hygienic applications and/or with aggressive chemicals.
  • the temperature sensor 20 is introduced according to the invention via a holder 130 which at least partially accommodates or encloses the temperature sensor 20 on the back of the separating membrane 3 .
  • the holder 130 is made of a particularly good thermally conductive material.
  • the holder 130 can be made of a material with a thermal conductivity greater than 200 [W/(m*K)], preferably greater than 300 [W/(m*K)], very particularly preferably greater than 400 [W/(m*K)]. be trained. Copper has proven to be a particularly preferred material for the holder 130 due to its good thermal conductivity.
  • the holder 130 with the surface 133 directed towards the separating membrane can be connected to the back of the separating membrane 34 via a thermally conductive connecting layer 15 .
  • the holder 130 can be rotationally symmetrical.
  • the holder 130 can comprise an essentially rotationally symmetrical, plate-shaped base 131 and a cylindrical part 132 .
  • the cylindrical part 132 preferably adjoins the plate-shaped base 131 in the middle.
  • the holder can have a largely T-shaped outer contour in cross section.
  • the cylindrical part of the holder 132 has a recess 136 for receiving the temperature sensor.
  • the recess 136 extends from the end of the holder opposite the plate-shaped base to a defined depth T.
  • the recess 136 can extend to the plate-shaped base.
  • the recess 136 can be realized, for example, by a bore.
  • the temperature sensor 20 can be fixed in the recess by means of a thermally conductive adhesive.
  • the bracket 130 is formed such that a diameter of the plate-shaped base D1 is larger than a diameter of the cylindrical part D2.
  • a stop surface 134 can be defined by the overhang of the plate-shaped base 131, with which the holder 130 can be inserted into the base body up to a counter-stop surface 11 formed in the base body.
  • the counter-stop surface 11 can be implemented, for example, by a stepped opening 83 in the central recess on the side facing the separating membrane, with a tread surface serving as a counter-stop surface. In Fig. 3 the stepped opening is indicated by a circle.
  • the central recess 80, 82 and the holder 130 are also matched to one another in such a way that a contact surface with which the holder is in direct contact with the base body is smaller than the surface of the holder which is in a plane with the separating membrane in the middle re I lies.
  • the contact surface thus includes the counter-stop surface 11 and the side surface 12 of the stepped opening running perpendicular thereto.
  • the holder 130 can have a ventilation opening 135, for example in the form of a bore.
  • the ventilation opening 135 is designed in the holder 130 in such a way that air can escape through the ventilation opening 135 from an air gap resulting between the separating membrane and the plate-shaped base during the filling process of the pressure transmitter, which usually takes place in a vacuum.
  • the separating membrane 3 preferably has a very small thickness in the range of approx Real-time fluctuations in the temperature of the process medium can be detected.
  • the separating membrane 3 is joined to the base body around a central area 12 . This can be done, for example, by a circumferential weld. In FIGS. 1 and 2, the circumferential weld seam is indicated by two triangles and the reference number 35. Alternatively, the peripheral joining can also be effected by a peripheral adhesive connection 13 .
  • thermal insulation material 9 in a space between the wall of the central recess 81 and the temperature sensor 20.
  • the thermal insulation material can be air.
  • a heat-insulating gel can be introduced.
  • the heat-insulating gel can be, for example, a silicone gel, e.g. SilGel 612 from Wacker Chemie AG.
  • Figure 4 shows data obtained by simulation to illustrate the effect of the mount on thermal conduction between the process medium and the temperature sensor.
  • the temperature profile of the temperature sensor of a pressure transmitter designed according to the invention with the temperature profile of a temperature sensor of a pressure transmitter in which the temperature sensor is fixed to the separating membrane without a holder.
  • the temperature sensor that is placed in the diaphragm seal with the bracket reaches the temperature setpoint (indicated by the line with unfilled circles in the measurement curve) more quickly than a temperature sensor that is installed in the diaphragm seal (indicated by the line with filled circles in the measurement curve) without a holder.
  • Thermal insulation material e.g. air
  • Pressure measuring element e.g. in the form of one that can be deflected by pressure

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Abstract

Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums, umfassend: einen Grundkörper (1); und eine daran befestigte Trennmembran (3), wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite (33) beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit (7) gefüllt sind; die Trennmembran druckdicht mit dem Grundkörper verbunden ist und die Trennmembran einen zentralen Mittenbereich (12) aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen Temperatursensor (20) und eine Halterung für den Temperatursensor umfasst, wobei der Temperatursensor (20) zumindest teilweise in die Halterung ein- oder an dieser angebracht ist, wobei die Halterung (130) in dem Grundkörper hinter dem Mittenbereich (12) der Trennmembran (3) derartig in eine zentrale Ausnehmung (80, 82) eingebracht und angeordnet ist, dass eine zur Trennmembran (3) gerichtete Fläche der Halterung (133) in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt, sodass die Fläche der Halterung (133) als Anschlagsfläche für die Trennmembran (3) bei einer Druckweinwirkung dient.

Description

Hydraulischer Druckmittler und Druckaufnehmer mit hydraulischem Druckmittler
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckaufnehmer mit einem hydraulischen Druckmittler.
Hydraulische Druckmittler umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist, an dem eine Trennmembran mit zumindest zwei Schweißnähten druckdicht befestigt ist, so dass zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, die über eine Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert.
Die Druckkammer und der hydraulische Pfad sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
Zur Steuerung eines industriellen Prozesses ist in der Regel die Kenntnis der Prozesstemperatur unerlässlich. Beim Einsatz von hydraulischen Druckmittlern wird die Prozesstemperatur für gewöhnlich durch zwei verschiedene Möglichkeiten miterfasst. Bei der ersten Möglichkeit wird eine Widerstandsänderung eines Widerstandes in dem Druckwandler zur Bestimmung der Prozesstemperatur herangezogen, wohingegen bei der zweiten Möglichkeit ein zu dem Druckwandler separat ausgebildeter Temperaturwandler zur Bestimmung der Prozesstemperatur eingesetzt.
Insoweit als temperaturabhängige Verformungen der Trennmembranen mit einem Trennmembranfehler bei der Druckmessung einhergehen, ist es für präzise Druckmessungen ebenfalls von grundsätzlichem Interesse, die Temperatur des Druckmittlers im Bereich der Druckkammer bzw. der Trennmembran und somit des Prozesses möglichst genau zu kennen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen einen Temperatursensor auf, der entweder neben der Trennmembran angeordnet ist, oder von hinten in den Grundkörper des Druckmittlers eingeführt ist, um die Temperatur des Grundkörpers in der Nähe der Druckkammer zu messen. Diese Sensorpositionen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, denn die thermische Masse des Grundkörpers verhindert eine unverzügliche Anpassung der Grundkörpertemperatur an die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer, die sich bei schnellen Änderungen der Medientemperatur und konvektivem Wärmetransport durch ein strömendes Medium sehr schnell ändern kann.
Ein neben der Trennmembran angeordneter ggf. medienberührender Temperatursensor erfordert dagegen entweder eine zusätzliche Öffnung im Medienbehälter oder der medienführenden Leitung, durch weiche der Temperatursensor eingesetzt werden kann, oder bei gegebener Trennmembranfläche muss der Radius des Grundkörpers um einen solchen Wert vergrößert werden, dass auf dem Rand des Grundkörpers noch Platz für die Montage eines Temperatursensors neben der Trennmembran vorhanden ist.
Alle zuvor genannten Möglichkeiten weisen allerdings den Nachteil auf, dass eine annährend Echtzeit (englisch „real-time“) Temperaturerfassung nicht möglich ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der die Möglichkeit einer annährend Echtzeit Temperaturmessung bietet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des unabhängigen Anspruchs 13.
Der erfindungsgemäße Druckmittler zum Übertragen eines Drucks eines Prozessmediums umfasst: einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist; und eine Trennmembran, die an der Oberfläche befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, welche über eine Öffnung in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran eine plattenförmige Membran mit einem umlaufenden Rand ist und die plattenförmige Membran über eine, vorzugsweise eine einzige umlaufende Schweißnaht druckdicht mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden ist und die Trennmembran einen zentralen Mittenbereich aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperaturmessgröße des Prozessmediums und eine Halterung für den Temperatursensor zur besseren Wärmeübertragung zwischen Prozessmedium und Temperatursensor umfasst, wobei der Temperatursensor zumindest teilweise in die Halterung ein- oder an dieser angebracht ist, wobei die Halterung in dem Grundköper hinter dem Mittenbereich der Trennmembran derartig in eine zentrale Ausnehmung eingebracht und angeordnet ist, dass eine zur Trennmembran gerichtete Fläche der Halterung in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt, sodass die Fläche der Halterung als Anschlagsfläche für die Trennmembran bei einer Druckweinwirkung dient.
Erfindungsgemäß wird das Einführen einer wärmeleitfähigen Temperatursensorhalterung, bspw. aus Kupfer oder einem ähnlichen Werkstoff, in den Grundkörper hinter der Prozessmembran vorgeschlagen. Der Temperatursensor wird an der Halterung angebracht oder in diese zumindest teilweise eingebracht. Dies kann unterstützend auch mittels eines wärmeleitfähigen Klebers erfolgen. Die Halterung ist dabei derartig ausgeführt, dass die Prozessmembran gleichzeitig auch eine Anschlagsfläche an der Halterung hat, an der sie sich abstützen bzw. anlegen kann, sodass ein unerwünschtes Prägen der Trennmembran, bspw. aufgrund eines prozessseitig hohen Druckes, verhindert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die zentrale Ausnehmung und die Halterung derartig aufeinander abgestimmt sind, dass eine Kontaktfläche mit der die Halterung unmittelbar in Kontakt mit dem Grundkörper ist, kleiner ist, als die Fläche der Halterung, die in einer Ebene zu der T rennmembran im Mittenbereich liegt.
Eine weiter vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 200 W/(m*K), bevorzugt größer 300 W/(m*K), ganz besonders bevorzugt größer 400 W/(m*K) ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung aus Kupfer ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche an der Trennmembran, vorzugsweise mittels einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, fixiert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung einen, vorzugsweise rotationssymmetrischen plattenförmigen Sockel und einen an den Sockel anschließenden, vorzugsweise rotationssymmetrischen zylindrischen Teil mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors umfasst, wobei die Halterung derartig in den Grundkörper eingebracht und angeordnet ist, dass der plattenförmige Sockel in Richtung der Trennmembran orientiert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung ferner derartig ausgebildet ist, dass ein Durchmesser des plattenförmigen Sockels größer als ein Durchmesser des zylindrischen Teils ist, sodass ein Überstand entsteht, der als eine Anschlagsfläche für die Halterung dient und wobei der Grundkörper ferner derartig ausgebildet ist, dass die zentrale Ausnehmung an dem der Trennmembran zugewandten Seite eine stufenförmige Öffnung aufweist, die derartig ausgebildet ist, dass eine Auftrittsfläche der stufenförmigen Öffnung als eine Gegenanschlagsfläche für die Anschlagsfläche der Halterung dient. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung ferner eine Entlüftungsöffnung aufweist, die derartig in der Halterung ausgeführt ist, dass Luft, welche zwischen der Trennmembran und der Fläche der Halterung die als Anschlagsfläche dient, vorzugsweise durch die zentrale Ausnehmung entweichen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper und die Trennmembran jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Halterung mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche an der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Verbindungsschicht, vorzugsweise einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die zentrale Ausnehmung durch mehrere Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern realisiert ist und sich vorzugsweise durch den gesamten Grundkörper erstreckt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass ein Zwischenraum zwischen der Halterung und einer Wandung der zentralen Ausnehmung zumindest teilweise mit einem Wärmeisolationsmaterial, vorzugsweise einem anderen Wärmeisolationsmaterial als Luft, gefüllt ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Druckwandler, umfassend: einen Druckmittler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und eine Druckmesszelle, die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung, um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Druckwandlers ist vorgehsehen, dass die elektronische Schaltung Mittel zur Verarbeitung der Signale des Temperatursensors für die Temperaturmessgröße umfasst.
In einerweiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Druckwandlers ist vorgehsehen, dass ein Signal des Temperatursensors am Eingang einer Korrekturschaltung zur Korrektur eines Temperaturfehlers des druckabhängigen Signals anliegt. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckwandler,
Fig. 2: ein Ausschnitt von einem Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckmittler, der Teil des Druckwandlers ist,
Fig. 3: eine Detaildarstellung der Halterung, und
Fig. 4: per Simulation ermittelte Daten zur Verdeutlichung des Effekts der Halterung auf die Wärmeübertragung.
Der in Figur 1 dargestellte Druckwandler umfasst einen, vorzugsweise metallischen, insbesondere einen ein Edelstahl aufweisenden Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 2, an der eine scheibenförmige Trennmembran 3 mit einer einzigen umlaufenden äußeren Schweißnaht 36 an ihrem umlaufenden Außenrand 32 befestigt ist, wodurch sich zwischen dem Grundkörper und der Trennmembran 3 eine Druckkammer 4 bildet. Die Trennmembran 3 dieses Ausführungsbeispiels ist exemplarisch als eine flache Scheibe dargestellt. Genauso gut kann die Trennmembran auch ein wellenförmiges Profil aufweisen, d.h. umlaufende Sicken aufweisen. Von der Druckkammer 4 erstreckt sich eine Bohrung durch den Grundkörper 1 , umso einen hydraulischen Pfad zu bilden und den Druck zu einem Druckempfänger zu übertragen. Damit der Druck auch entsprechend übertragen werden kann, ist die Druckkammer mit einer Übertragungsflüssigkeit 7, bspw. ein Öl, gefüllt.
Die bisher beschriebenen Komponenten betreffen mit anderen Worten ein Druckmittlermodul, welches mit einer Druckmesszelle kombiniert ist, um den erfindungsgemäßen Druckwandler zu bilden. Die Druckmesszelle 110 kann beispielsweise einen Trägerkörper 111 , an dem eine piezoresistives Druckmesselement 113 befestigt ist umfassen. Das Druckmesselement 113 ist vorzugsweise als Messmembran ausgebildet, die sich durch Einwirken einer Druckdifferenz auslenkt. Die Druckmesszelle 110 kann als Relativ-, Differenzdruck- oder als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Druckmesszelle als Relativdruckmesszelle ausgebildet. Hierbei wird über einen im Trägerkörper 111 integrierten Kanal 112 die Druckmesszelle mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Insoweit dient die Druckmesszelle 11 als Druckempfänger des durch den Kanal 112 und eine den Kanal 112 mit der Druckkammer 4 verbindende Bohrung 5 realisierten hydraulischen Pfades. Das Primärsignal der Druckmesszelle 110 wird zunächst von einer Schaltung auf einer Platine 14 vorverarbeitet, bevor es weiter aufbereitet und zur Kommunikation über die gängigen Protokolle, beispielsweise 4-20mA oder digitale Feldbusprotokolle aufbereitet wird.
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst weiterhin einen Temperatursensor 20, der in einer zentralen Ausnehmung 80, 82 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls bis zur Rückseite 34, d.h. der prozessabgewandten Seite der Trennmembran, eingebracht ist, um die Temperatur des Prozessmediums zu erfassen. Eine zentrale Ausnehmung bedeutet hierbei eine Ausnehmung, die sich entlang einer auf eine Außenkontur des Grundkörpers bezogene Rotationsachse erstreckt. Die zentrale Ausnehmung kann beispielsweise durch ein oder mehrere Bohrungen realisiert sein. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Ausnehmung durch mehrere Bohrungen entlang der Mittelachse des Grundkörpers realisiert.
Das Primärsignal des Temperatursensors 20, beispielsweise ein PT1.000 Sensor, wird über elektrische Leitungen 17 der Platine 14 zugeführt um als Messsignal aufbereitet werden und gegebenenfalls zur Kompensation des Primärsignal des Drucksensors herangezogen zu werden.
Dadurch, dass der Temperatursensor 20 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls bis zur Rückseite eingebracht ist und somit nicht in direkten Kontakt mit dem Prozessmedium steht, können Verschmutzung des Mediums durch den Temperatursensor 20, die Korrosion des Temperatursensors sowie eine Wechselwirkung zwischen dem Medium und dem Temperatursensor 20 ausgeschlossen werden. Ein derartiger Aufbau eignet sich insbesondere für hygienische Anwendungen und/oder bei aggressiven Chemikalien.
Um schnelle Temperaturänderungen des Prozessmediums zuverlässig feststellen zu können, ist der Temperatursensor 20 erfindungsgemäß über eine Halterung 130, die den Temperatursensor 20 zumindest teilweise aufnimmt bzw. einschließt, auf der Rückseite der Trennmembran 3 eingebracht. Die Halterung 130 ist aus einem besonders guten wärmeleitfähigen Werkstoff hergestellt. Beispielsweise kann die Halterung 130 aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit größer 200 [W/(m*K)], bevorzugt größer 300 [W/(m*K)], ganz besonders bevorzugt größer 400 [W/(m*K)] ausgebildet sein. Als besonders bevorzugter Werkstoff für die Halterung 130 hat sich Kupfer aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit herausgestellt.
Um einen noch besseren Wärmeübertrag zu erzielen, kann die Halterung 130 mit der zu der Trennmembran gerichteten Fläche 133 über eine wärmeleitfähige Verbindungsschicht 15 mit der Rückseite der T rennmembran 34 verbunden sein. Die Halterung 130 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Halterung 130 einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen plattenförmigen Sockel 131 und einen zylindrischen Teil 132 umfassen. Der zylindrische Teil 132 schließt vorzugsweise mittig an den plattenförmigen Sockel 131 an. Anders ausgedrückt, die Halterung kann im Querschnitt eine weitgehend T-förmige Außenkontur aufweisen.
Der zylindrische Teil der Halterung 132 weist eine Ausnehmung 136 zur Aufnahme des Temperatursensors auf. Die Ausnehmung 136 erstreckt sich von dem, dem plattenförmigen Sockel gegenüberliegenden Ende der Halterung bis zu einer definierten Tiefe T. Beispielsweise kann sich die Ausnehmung 136 bis zu dem plattenförmigen Sockel erstrecken. Die Ausnehmung 136 kann beispielsweise durch eine Bohrung realisiert sein. Der Temperatursensor 20 kann mittels eines wärmeleitfähigen Klebers in der Ausnehmung fixiert sein.
Die Halterung 130 ist ferner derartig ausgebildet, dass ein Durchmesser des plattenförmigen Sockels D1 größer als ein Durchmesser des zylindrischen Teils D2 ist. Durch den Überstand des plattenförmigen Sockels 131 kann eine Anschlagsfläche 134 definiert werden, mit der die Halterung 130 bis zu einer im Grundkörper ausgebildeten Gegenanschlagsfläche 11 in den Grundkörper einführbar ist. Die Gegenanschlagsfläche 11 kann beispielsweise durch eine stufenförmige Öffnung 83 der zentralen Ausnehmung, auf der der T rennmembran zugewandten Seite, realisiert sein, wobei eine Auftrittsfläche als Gegenanschlagsfläche dient. In Fig. 3 ist die stufenförmige Öffnung durch einen Kreis gekennzeichnet.
Die zentrale Ausnehmung 80, 82 und die Halterung 130 sind ferner derartig aufeinander abgestimmt, dass eine Kontaktfläche mit der die Halterung unmittelbar in Kontakt mit dem Grundkörper ist, kleiner ist, als die Fläche der Halterung, die in einer Ebene zu der Trennmembran im Mitten be re ich liegt. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Kontaktfläche also die Gegenanschlagsfläche 11 sowie die senkrecht dazu verlaufenden Seitenfläche 12 der stufenförmigen Öffnung.
Ergänzend kann die Halterung 130 eine Entlüftungsöffnung 135, bspw. in Form einer Bohrung, aufweisen. Die Entlüftungsöffnung 135 ist derartig in der Halterung 130 ausgeführt, dass Luft aus einem sich zwischen der Trennmembran und dem plattenförmigen Sockel ergebenden Luftspalt beim Befüllvorgang des Druckmittlers, welcher üblicherweise im Vakuum erfolgt, durch die Entlüftungsöffnung 135 entweichen kann.
Die Trennmembran 3 weist vorzugsweise eine sehr geringe Stärke im Bereich von ca. 20- 60 pm auf, sodass durch den Temperatursensor 20 annäherungsweise Echtzeitschwankungen der Temperatur des Prozessmediums erfasst werden können. Um den Temperatursensor 20 von der Übertragungsflüssigkeit thermisch zu entkoppeln, ist die Trennmembran 3 um einen Mittenbereich 12 herum mit dem Grundköper gefugt. Dies kann beispielsweise durch eine umlaufende Schweißnaht erfolgen. In Fig. 1 und 2 ist die umlaufende Schweißnaht durch zwei Dreiecke und mit dem Bezugszeichen 35 angedeutet. Alternativ kann die umlaufende Fügung auch durch eine umlaufende Klebeverbindung 13 erfolgen.
Um den Temperatursensor 20 von dem Grundkörper 1 thermische zu entkoppeln, befindet sich ein Wärmeisolationsmaterial 9 in einem Zwischenraum zwischen der Wandung der zentralen Ausnehmung 81 und dem Temperatursensor 20. Das Wärmeisolationsmaterial kann dabei Luft sein. Alternativ kann ein wärmeisolierendes Gel eingebracht sein. Bei dem wärmeisolierenden Gel kann es sich beispielsweise um ein Silicongel handeln, z.B. SilGel 612 der Firma Wacker Chemie AG.
Fig. 4 zeigt per Simulation ermittelte Daten zum Verdeutlichen des Effekts der Halterung auf die Wärmeleitung zwischen Prozessmedium und Temperatursensor. Hierzu der Temperaturverlauf des Temperatursensors eines erfindungsgemäß ausgebildeten Druckmittlers mit dem Temperaturverlauf eines Temperatursensors eines Druckmittlers bei dem der Temperatursensor ohne Halterung an der Trennmembran fixiert ist. Aus Fig. 4 wird ersichtlich, dass der Temperatursensor der mit der Halterung in den Druckmittler (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit ausgefüllten Rechtecken) eingebracht ist, schneller den Temperatursollwert (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit nicht ausgefüllten Kreisen) erreicht als ein Temperatursensor der ohne Halterung in den Druckmittler (in der Messkurve gekennzeichnet durch die Linie mit ausgefüllten Kreise) eingebracht ist.
Bezugszeichenhste
Grundkörper
Gegenanschlagsfläche für die Halterung bzw. Auftrittsfläche der stufenförmigen Öffnung
Seitenfläche der stufenförmigen Öffnung
Oberfläche
Trennmembran
Umlaufender Rand
Erste Seite bzw. Vorderseite der Trennmembran
Zweite Seite bzw. Rückseite der Trennmembran
Umlaufende innere Schweißnaht
Umlaufende äußere Schweißnaht
Druckkammer
Hydraulischer Pfad
Zwischenraum
Übertragungsflüssigkeit
Erste Bohrung
Wandung der ersten Bohrung
Zweite Bohrung
Stufenförmige Öffnung
Wärmeisolationsmaterial, z.B. Luft
Druckmesszelle
Trägerkörper
Kanal
Druckmesselement, z.B. in Form einer durch Druck auslenkbaren
Messmembran
Mittenbereich
Halterung
Sockel der Halterung
Zylindrischer Teil der Halterung
Fläche die zu der Trennmembran gerichtet ist
Anschlagsfläche der Halterung
Entlüftungsloch
Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors
Elektronische Schaltung
Wärmeleitfähige Verbindungsschicht
Leiterplatte mit Korrekturschaltung
Elektrische Leitungen
Rotationsachse 20 Temperatursensor
D1 Durchmesser des plattenförmigen Sockels der Halterung
D2 Durchmesser des zylindrischen Teils der Halterung
T Tiefe der Ausnehmung zur Aufnahme des T emperatursensors

Claims

Patentansprüche Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche
(2) befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran
(3) mit dem Prozessmedium von einer ersten Trennmembranseite (33) beaufschlagbar ist, die Druckkammer
(4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit (7) gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine plattenförmige Membran mit einem umlaufenden Rand (32) ist und die plattenförmige Membran über eine, vorzugsweise eine einzige umlaufende Schweißnaht (10) druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden ist und die Trennmembran (3) einen zentralen Mittenbereich (12) aufweist, wobei der Druckmittler weiterhin einen Temperatursensor (20) zur Bestimmung einer Temperaturmessgröße des Prozessmediums und eine Halterung für den Temperatursensor zur besseren Wärmeübertragung zwischen Prozessmedium und Temperatursensor umfasst, wobei der Temperatursensor (20) zumindest teilweise in die Halterung ein- oder an dieser angebracht ist, wobei die Halterung (130) in dem Grundköper hinter dem Mittenbereich (12) der Trennmembran (3) derartig in eine zentrale Ausnehmung (80, 82) eingebracht und angeordnet ist, dass eine zur Trennmembran (3) gerichtete Fläche der Halterung (133) in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich liegt, sodass die Fläche der Halterung (133) als Anschlagsfläche für die T rennmembran (3) bei einer Druckweinwirkung dient. Druckmittler nach Anspruch 1 , wobei die zentrale Ausnehmung (80, 82) und die Halterung (130) derartig aufeinander abgestimmt sind, dass eine Kontaktfläche mit der die Halterung unmittelbar in Kontakt mit dem Grundkörper ist, kleiner ist, als die Fläche der Halterung, die in einer Ebene zu der Trennmembran im Mittenbereich (12) liegt. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (130) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 200 W/(m*K), bevorzugt größer 300 W/(m*K), ganz besonders bevorzugt größer 400 W/(m*K) ausgebildet ist. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (130) aus Kupfer ausgebildet ist.
5. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (130) mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche (133) an der Trennmembran (3), vorzugsweise mittels einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, fixiert ist.
6. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (130) einen, vorzugsweise rotationssymmetrischen plattenförmigen Sockel (131) und einen an den Sockel (131) anschließenden, vorzugsweise rotationssymmetrischen zylindrischen Teil (132) mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Temperatursensors (20) umfasst, wobei die Halterung derartig in den Grundkörper eingebracht und angeordnet ist, dass der plattenförmige Sockel in Richtung der Trennmembran orientiert ist.
7. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (13) ferner derartig ausgebildet ist, dass ein Durchmesser des plattenförmigen Sockels (D1) größer als ein Durchmesser des zylindrischen Teils (D2) ist, sodass ein Überstand entsteht, der als eine Anschlagsfläche für die Halterung dient und wobei der Grundkörper ferner derartig ausgebildet ist, dass die zentrale Ausnehmung an dem der Trennmembran zugewandten Seite eine stufenförmige Öffnung aufweist, die derartig ausgebildet ist, dass eine Auftrittsfläche der stufenförmigen Öffnung als eine Gegenanschlagsfläche für die Anschlagsfläche der Halterung dient.
8. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung ferner eine Entlüftungsöffnung (135) aufweist, die derartig in der Halterung ausgeführt ist, dass Luft, welche zwischen der Trennmembran und der Fläche der Halterung die als Anschlagsfläche dient, vorzugsweise durch die zentrale Ausnehmung entweichen kann.
9. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) und die Trennmembran (3) jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
10. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung mit der zur Trennmembran gerichtete Fläche an der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Verbindungsschicht (15), vorzugsweise einer wärmeleitfähigen Kleberschicht, einer Weichlötverbindungsschicht oder einer wärmeleitfähigen Pastenschicht, verbunden ist.
11 . Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Ausnehmung (80, 82) durch mehrere Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern realisiert ist und sich vorzugsweise durch den gesamten Grundkörper (1) erstreckt. Druckmittler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zwischenraum (6) zwischen der Halterung und einer Wandung (81) der zentralen Ausnehmung (80, 82) zumindest teilweise mit einem Wärmeisolationsmaterial (9), vorzugsweise einem anderen Wärmeisolationsmaterial als Luft, gefüllt ist. Druckwandler, umfassend: einen Druckmittler gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und eine Druckmesszelle (11), die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung (14), um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle (11) ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen. Druckwandler nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektronische Schaltung (14) Mittel zur Verarbeitung der Signale des Temperatursensors (20) für die Temperaturmessgröße umfasst. Druckwandler nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Signal des Temperatursensors (20) am Eingang einer Korrekturschaltung (16) zur Korrektur eines Temperaturfehlers des druckabhängigen Signals anliegt.
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