EP4427005A1 - Verwendung einer legierung auf gallium basis als übertragungsflüssigkeit in einem druckmittler - Google Patents

Verwendung einer legierung auf gallium basis als übertragungsflüssigkeit in einem druckmittler

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EP4427005A1
EP4427005A1 EP22797690.9A EP22797690A EP4427005A1 EP 4427005 A1 EP4427005 A1 EP 4427005A1 EP 22797690 A EP22797690 A EP 22797690A EP 4427005 A1 EP4427005 A1 EP 4427005A1
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EP
European Patent Office
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gallium
alloy
pressure
transmission
based alloy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22797690.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Leuthner
Sergey Lopatin
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Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
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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
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0046—Fluidic connecting means using isolation membranes
    • 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
    • G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C28/00—Alloys based on a metal not provided for in groups C22C5/00 - C22C27/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm

Definitions

  • the invention relates to the use of a gallium-based alloy, in particular a eutectic alloy, as a transmission fluid in a hydraulic pressure transmitter for determining a pressure in a process in which the process medium has a process temperature of ⁇ 400° C. and a process pressure to be measured of ⁇ 1 bar absolute.
  • Diaphragm seals with hydraulic pressure transmission usually have a hydraulic path that extends between a process diaphragm and a pressure measurement cell, where the process diaphragm is exposed to a process medium whose pressure is to be determined.
  • Oils, in particular silicone oils, are currently used as the transmission fluid in such diaphragm seals.
  • the transmission fluid often does not behave according to the vapor pressure curve for the pure and native state, because due to reactions with impurities or with the surfaces that limit the hydraulic path, the transmission fluid can contain volatile decomposition products that can no longer be dissolved after outgassing.
  • the object is achieved according to the invention by using a gallium-based alloy as a transmission fluid in a hydraulic pressure transmitter for determining a pressure in a process in which the process medium has a process temperature ⁇ 400° C. and a process pressure to be measured ⁇ 1 bar (absolute pressure) according to Claim 1.
  • a gallium-based alloy in particular a eutectic alloy
  • a transmission fluid in a hydraulic pressure transmitter for determining a pressure in a process in which the process medium has a process temperature of ⁇ 400° C. and a process pressure to be measured of ⁇ 1 bar absolute
  • the alloy also has at least one other component in addition to gallium and the mixing ratio between gallium and the at least one other component is selected such that the alloy has a melting temperature below 20°C, in particular below 15°C.
  • the use of a gallium-based alloy as a transmission fluid for a diaphragm seal is proposed, the composition of the alloy being selected in such a way that it has a high boiling point (approx. 2400° C. for gallium), so that the diaphragm seals filled with the alloy also above the usual process conditions for currently common diaphragm seals (process temperature ⁇ 400°C and process pressures to be measured > 1 bar (absolute pressure)).
  • the alloy can have several other components and the mixing ratio between gallium and the several other components is selected such that the alloy has a melting point below 20°C, in particular below 15°C.
  • a further advantageous variant of the invention provides that the further component or the further components are selected from a metal with a melting point below 450°C, preferably below 350°C.
  • a further advantageous variant of the invention provides that the further component or the further components are selected from indium, tin, zinc, lead, bismuth and/or mercury.
  • the alloy has at least 50 percent by mass, preferably at least 60 percent by mass, of gallium.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure transmitter designed according to the invention.
  • This comprises a sensor module 1 and a transmission module 2.
  • the sensor module 1 comprises a sensor body 11 which can have cylindrical symmetry or some other axial symmetry at least in sections.
  • Inside the sensor body 11 is a measuring cell chamber 15 with a pressure measuring cell 16 located therein, which is connected to a first end face of the sensor body 11 via a measuring cell channel 12 .
  • the first end face 13 faces the transmission module 2 . It may also be bounded by an annular mounting wall 17 extending axially from the first face.
  • the mounting wall 17 has a first mounting face 18 which, in a presently preferred embodiment, is planar.
  • the first mounting face 18 is pressure-tightly connected to a matching second mounting face.
  • the transmission module 2 comprises a process body 21 and a transmission body 22, which can each have cylindrical symmetry or rotational symmetry at least in sections.
  • the symmetries mentioned are not essential for the invention, but they arise when the components of the pressure transmitter are manufactured as turned parts.
  • the process body 21 and the transfer body 22 each have a continuous axial bore between their end faces, which are connected to one another in a pressure-tight manner, so that a capillary line 23 extends between the end faces of the process body and the transfer body that face away from one another.
  • a flexible process diaphragm 24 is attached in a pressure-tight manner along its circumference to the sensor-side end face of the process body 21 , which faces away from the capillary line 23 .
  • a process pressure chamber 29 which communicates with the capillary line 23 is formed between the process diaphragm 24 and the process body 21 .
  • a flexible transmission membrane 25 is fastened in a pressure-tight manner along its circumference to the end face of the transmission body 22 which faces away from the capillary line 23 .
  • a transfer pressure chamber 28 is formed between the transfer membrane 25 and the transfer body 22 , which communicates with the capillary line 23 and thereby with the process pressure chamber 29 .
  • the process pressure chamber 29, the capillary 23 and the transfer pressure chamber 28 are filled with transfer liquid and form a first hydraulic path.
  • the process diaphragm 24 can thus be exposed to a process medium, and the pressure of the medium is transmitted to the transmission diaphragm 25 by means of the transmission liquid.
  • the sensor-side end face of the transmission body has the previously mentioned second mounting surface 26, to which the first mounting surface of the sensor module is welded in a pressure-tight manner.
  • the measuring cell chamber 15 and the volume between this and the transmission membrane 25, ie the first hydraulic path, are also filled with the transmission fluid.
  • the filling usually takes place after the sensor body has been connected to the transmission body along the first and second mounting surfaces.
  • filling channels for filling the first and second hydraulic path with transmission fluid can be provided in the sensor module and in the transmission module. Details on the configuration of the filling channel and its closure are familiar to a person skilled in the art and do not require any further explanation.
  • a gallium-based alloy with at least 50 percent by mass, preferably at least 60 percent by mass, gallium is used as the transmission fluid, which in addition to gallium also has at least one other component and the mixing ratio between gallium and the at least one other component is selected in such a way that the alloy has a melting temperature below 20°C, in particular below 15°C.
  • the alloy is preferably an eutectic alloy.
  • Possible further components or components are, in particular, metals with a melting point below 450° C., such as zinc (420° C.), particular preference is given to metals with a melting point below 350° C., such as indium (157° C.), Tin (232°C), lead (327°C), bismuth (271°C) and/or mercury (-38.8°C) can be considered, although it should be noted that mercury can always be considered as an additional component comes, but should not be used due to the toxicity.
  • metals with a melting point below 450° C. such as zinc (420° C.)
  • metals with a melting point below 350° C. such as indium (157° C.), Tin (232°C), lead (327°C), bismuth (271°C) and/or mercury (-38.8°C) can be considered, although it should be noted that mercury can always be considered as an additional component comes, but should not be used due to the toxicity.
  • a pressure transmitter filled with the alloy as a transmission liquid can also be used in the vacuum applications mentioned at the beginning, i.e. in processes in which the process medium has a high temperature ( ⁇ 400° C) with low process pressures ( ⁇ 1 bar) at the same time.

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Abstract

Verwendung einer, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Druckmittler zur Bestimmung eines Druckes in einem Prozess, bei dem das Prozessmedium eine Prozesstemperatur ≤ 400°C und einen zu messenden Prozessdruck ≤ 1 bar absolut aufweist, wobei die Legierung neben Gallium ferner zumindest eine weitere Komponente aufweist und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und der zumindest einen weiteren Komponente derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist.

Description

Verwendung einer Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem Druckmittler
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung einer, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Druckmittler zur Bestimmung eines Druckes in einem Prozess, bei dem das Prozessmedium eine Prozesstemperatur < 400°C und einen zu messenden Prozessdruck < 1 bar absolut aufweist.
Druckmittler mit hydraulischer Druckübertragung weisen für gewöhnlich einen hydraulischen Pfad auf, der sich zwischen einer Prozessmembran und einer Druckmesszelle erstreckt, wobei die Prozessmembran einem Prozessmedium ausgesetzt ist, dessen Druck zu ermitteln ist. Aktuell dienen bei derartigen Druckmittlern im Wesentlichen Öle, insbesondere Silikonöle als Übertragungsflüssigkeit.
Problematisch ist der Einsatz solcher Druckmittler dabei bei Anwendungen in Prozessen, in denen das Prozessmedium eine hohe Temperatur und einen niedrigen Prozessdruck aufweist, da unter diesen Umständen die Übertragungsflüssigkeit ausgast bzw. verdampft oder in flüchtige Produkte zerlegt wird. Dies ist insbesondere bei so genannten Vakuumanwendungen der Fall, bei denen das Prozessmedium eine hohe Temperatur bis ca. 400°C und gleichzeitig einen niedrigen zu messenden Prozessdruck (< 1 bar Absolutdruck) aufweist. Dies kann im günstigsten Fall reversibel gemäß der Dampfdruckkurve für die jeweilige Übertragungsflüssigkeit erfolgen, wobei aber auch in diesem Fall eine plastische Verformung der Prozessmembran droht, was einen nicht reversiblen Messfehler zur Folge hat. Häufig verhält sich die Übertragungsflüssigkeit jedoch nicht gemäß der Dampfdruckkurve für den reinen und nativen Zustand, denn aufgrund von Reaktionen mit Verunreinigungen oder mit den Oberflächen die den hydraulischen Pfad begrenzen, kann die Übertragungsflüssigkeit volatile Zersetzungsprodukte enthalten, die nach dem Ausgasen nicht mehr in Lösung gehen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Druckmittler zur Bestimmung eines Druckes in einem Prozess, bei dem das Prozessmedium eine Prozesstemperatur < 400°C und einen zu messenden Prozessdruck < 1 bar (Absolutdruck) aufweist gemäß Patentanspruch 1 .
Die erfindungsgemäße Verwendung einer, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Druckmittler zur Bestimmung eines Druckes in einem Prozess, bei dem das Prozessmedium eine Prozesstemperatur < 400°C und einen zu messenden Prozessdruck < 1 bar absolut aufweist, sieht vor, dass die Legierung neben Gallium ferner zumindest eine weitere Komponente aufweist und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und der zumindest einen weiteren Komponente derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit für einen Druckmittler vorgeschlagen, wobei die Zusammensetzung der Legierung derartig gewählt ist, dass diese einen hohen Siedepunkt (ca. 2400°C für Gallium) aufweist, so dass die mit der Legierung befüllten Druckmittler auch oberhalb der für aktuell gängige Druckmittler üblichen Prozessbedingungen (Prozesstemperatur < 400°C und zu messende Prozessdrücke > 1 bar (Absolutdruck)) eingesetzt werden können.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Legierung mehrere weitere Komponenten aufweisen kann und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und den mehreren weiteren Komponenten derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unter 450°C, vorzugsweise unter 350°C. Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus Indium, Zinn, Zink, Blei, Wismut, und/oder Quecksilber.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung sieht vor, dass die Legierung mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium aufweist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Druckmittler.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Druckmittler. Dieser umfasst ein Sensormodul 1 und ein Übertragungsmodul 2. Das Sensormodul 1 umfasst einen Sensorkörper 11 , der zumindest abschnittsweise Zylindersymmetrie oder eine andere Axialsymmetrie aufweisen kann. Im Innern des Sensorkörpers 11 ist eine Messzellenkammer 15 mit einer darin befindlichen Druckmesszelle 16 angeordnet, welche über einen Messzellenkanal 12 mit einer ersten Stirnfläche des Sensorkörpers 11 verbunden ist. Die erste Stirnfläche 13 ist dem Übertragungsmodul 2 zugewandt. Sie kann zudem von einer ringförmigen Montagewand 17 begrenzt sein, die sich in axialer Richtung von der ersten Stirnfläche erstreckt. Die Montagewand 17 weist eine erste Montagestirnfläche 18 auf, die nach einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung planar ist. Die erste Montagestirnfläche 18 wird druckdicht mit einer passenden zweiten Montagefläche verbunden.
Das Übertragungsmodul 2 umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung einen Prozesskörper 21 und einen Übertragungskörper 22, die jeweils zumindest abschnittsweise Zylindersymmetrie oder Rotationssymmetrie aufweisen können. Die erwähnten Symmetrien sind für die Erfindung nicht wesentlich, sie ergeben sich jedoch dann, wenn die Komponenten des Druckmittler als Drehteile hergestellt werden. Der Prozesskörper 21 und der Übertragungskörper 22, weisen jeweils eine durchgehende axiale Bohrung zwischen ihren Stirnflächen auf, die druckdicht miteinander verbunden sind, sodass sich zwischen den einander abgewandten Stirnflächen des Prozesskörpers und des Übertragungskörpers eine Kapillarleitung 23 erstreckt.
An der sensorseitigen Stirnfläche des Prozesskörpers 21 , die der Kapillarleitung 23 abgewandt ist, ist eine flexible Prozessmembran 24 entlang ihres Umfangs druckdicht befestigt. Zwischen der Prozessmembran 24 und dem Prozesskörper 21 wird eine Prozessdruckkammer 29 gebildet, welche mit der Kapillarleitung 23 kommuniziert.
An der Stirnfläche des Übertragungskörpers 22, die der Kapillarleitung 23 abgewandt ist, ist eine flexible Übertragungsmembran 25 entlang ihres Umfangs druckdicht befestigt. Zwischen der Übertragungsmembran 25 und dem Übertragungskörper 22 wird dadurch eine Übertragungsdruckkammer 28 gebildet, welche mit der Kapillarleitung 23 und dadurch mit der Prozessdruckkammer 29 kommuniziert.
Die Prozessdruckkammer 29, die Kapillare 23 und die Übertragungsdruckkammer 28 sind mit Übertragungsflüssigkeit gefüllt und bilden einen ersten hydraulischen Pfad.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckmittlers kann somit die Prozessmembran 24 einem Prozessmedium ausgesetzt werden, und der Druck des Mediums wird mittels der Übertragungsflüssigkeit zur Übertragungsmembran 25 übertragen.
Die sensorseitige Stirnfläche des Übertragungskörpers, weist die zuvor erwähnte zweite Montagefläche 26 auf, mit welcher die erste Montagefläche des Sensormoduls druckdicht verschweißt wird.
Die Messzellenkammer 15 sowie das Volumen zwischen dieser und der Übertragungsmembran 25, also der erste hydraulische Pfad, werden ebenfalls mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Auf diese Weise wird ein an der Übertragungsmembran anliegender Druck zu der Druckmesszelle übertragen, sodass diese mit einem entsprechenden Druck zur Bestimmung des Druckwertes beaufschlagt ist. Üblicherweise erfolgt die Befüllung nachdem der Sensorkörper mit dem Übertragungskörper entlang der ersten und zweiten Montageflächen verbunden wurde. Hierzu können im Sensormodul und im Übertragungsmodul Befüllkanäle zur Befüllung des ersten und zweiten hydraulischen Pfades mit Übertragungsflüssigkeit vorgesehen. Einzelheiten zur Ausgestaltung des Befüllkanals dessen Verschluss sind dem Fachmann geläufig und bedürfen keiner weiteren Darstellung.
Erfindungsgemäß wird als Übertragungsflüssigkeit eine Legierung auf Gallium Basis mit mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium verwendet, die neben Gallium ferner zumindest eine weitere Komponente aufweist und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und der zumindest einen weiteren Komponente derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Legierung um eine eutektische Legierung. Als mögliche weitere Komponente bzw. Komponenten kommen insbesondere Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 450°C, wie zum Beispiel Zink (420°C), besonders bevorzugt kommen Metalle mit einem Schmelzpunkt unter 350°C, wie zum Beispiel Indium (157°C), Zinn (232°C), Blei (327°C), Wismut (271 °C), und/oder Quecksilber (-38,8°C) in Betracht, wobei es zu beachten gilt, dass Quecksilber grundsätzlich als weitere Komponente in Betracht kommt, aufgrund der Toxizität allerdings keine Verwendung finden dürfte.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung der (eutektischen) Legierung, die aufgrund ihrer Zusammensetzung einen hohen Siedepunkt aufweist, kann ein mit der Legierung als Übertragungsflüssigkeit befüllter Druckmittler auch bei den eingangs erwähnten Vakuumanwendungen, also bei Prozessen, bei den das Prozessmedium eine hohe Temperatur (< 400°C) bei gleichzeitig niedrigen Prozessdrücken (< 1 bar) aufweist, eingesetzt werden. Bezugszeichenliste
Sensormodul
Übertragungsmodul
Sensorkörper
Messzellenkanal
Erste Stirnfläche
Messzellenkammer
Druckmesszelle
Montagewand
Erste Montagestirnfläche
Prozesskörper
Übertragungskörper
Durchgängige Kapillarleitung
Prozessmembran
Übertragungsmembran
Zweite Montagestirnfläche
Übertragungsdruckkammer
Prozessdruckkammer

Claims

7 Patentansprüche
1 . Verwendung einer, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit in einem hydraulischen Druckmittler zur Bestimmung eines Druckes in einem Prozess, bei dem das Prozessmedium eine Prozesstemperatur < 400°C und einen zu messenden Prozessdruck < 1 bar absolut aufweist, wobei die Legierung neben Gallium ferner zumindest eine weitere Komponente aufweist und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und der zumindest einen weiteren Komponente derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist.
2. Verwendung nach dem vorgehenden Anspruch, wobei die Legierung mehrere weitere Komponenten aufweisen kann und das Mischungsverhältnis zwischen Gallium und den mehreren weiteren Komponenten derartig gewählt ist, dass die Legierung eine Schmelztemperatur unter 20°C, insbesondere unter 15°C aufweist.
3. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unter 450°C, vorzugsweise unter 350°C.
4. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus Indium, Zinn, Zink, Blei, Wismut, und/oder Quecksilber.
5. Verwendung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Legierung mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium aufweist.
EP22797690.9A 2021-11-04 2022-09-27 Verwendung einer legierung auf gallium basis als übertragungsflüssigkeit in einem druckmittler Withdrawn EP4427005A1 (de)

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