EP4427007A1 - Druckaufnehmer - Google Patents

Druckaufnehmer

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Publication number
EP4427007A1
EP4427007A1 EP22790526.2A EP22790526A EP4427007A1 EP 4427007 A1 EP4427007 A1 EP 4427007A1 EP 22790526 A EP22790526 A EP 22790526A EP 4427007 A1 EP4427007 A1 EP 4427007A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
transmission
hydraulic path
diaphragm
pressure sensor
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22790526.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Leuthner
Sergey Lopatin
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 EP4427007A1 publication Critical patent/EP4427007A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01L19/0007—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
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0023—Fluidic connecting means for flowthrough systems having a flexible pressure transmitting element
    • 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
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0038—Fluidic connecting means being part of the housing
    • 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
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor, a method for operating such a pressure sensor and the use of such a pressure sensor in a measuring point of an automation system.
  • Diaphragm seals with hydraulic pressure transmission usually have a hydraulic path that extends between a process diaphragm and a pressure measuring 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. In such cases, the decomposition products can develop such high pressures that the metal diaphragm ruptures and hydraulic fluid from the pressure sensor contaminates the process medium.
  • the pressure sensor according to the invention includes a sensor module
  • a sensor body which has a measuring cell chamber in which a pressure measuring cell is arranged, the pressure measuring cell being able to be pressurized via a first hydraulic path filled with a second transmission fluid, and
  • transmission module for transmitting a pressure to the first hydraulic path, the transmission module having a second hydraulic path filled with a first transmission liquid that is different from the second, which hydraulic path extends from a process diaphragm through a transmission body to a transmission diaphragm,
  • the transmission membrane is attached to the transmission body in a pressure-tight manner
  • the sensor body is connected to the transmission body in a pressure-tight manner in such a way that the first hydraulic path communicates with the transmission membrane, so that the pressure of the second hydraulic path can be transmitted through the transmission membrane to the first hydraulic path, and
  • the first transfer liquid has a higher density than the second transfer liquid.
  • a pressure sensor or pressure transmitter in which the two hydraulic paths are filled with two transmission fluids with different densities, the first transmission fluid with the higher density being in the second hydraulic path, which serves as a separation between the process medium and the sensor module and the second transfer liquid with the lower density is located in the first hydraulic path, which further transmits the pressure transmitted by the second transmission fluid via the first hydraulic path to the pressure measuring cell.
  • the first transmission liquid is a gallium-based alloy, in particular a eutectic alloy which, in addition to gallium, also has at least one further component and the mixing ratio between gallium and the at least one further component is selected in such a way that the alloy has a melting temperature below 20°C, in particular below 15°C.
  • the configuration can provide that 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 embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the further component or the further components are selected from a metal with a melting point below 450°C, preferably with a melting point below 350°C.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the further component or the further components are selected from indium, tin, zinc, lead, bismuth and/or mercury.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the alloy has at least 50% by mass, preferably at least 60% by mass, of gallium.
  • a further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention provides that the second transmission liquid is a silicone oil.
  • the invention also relates to a method for operating a pressure sensor according to one of the configurations described above in a measuring point of an automation system for determining a pressure of a process medium present at the process diaphragm, the pressure sensor being introduced into the measuring point in such a way that a hydrostatic pressure in the second hydraulic path located first transmission fluid acts on the transmission membrane and thus also on the second transmission fluid located in the first hydraulic path, so that the hydrostatic pressure of the first transmission fluid counteracts a process pressure applied to the process membrane of a medium.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the pressure sensor is used to determine the pressure of the process medium present at the process diaphragm with a process pressure ⁇ 1 bar absolute at a process temperature ⁇ 400°C.
  • the invention also relates to the use of a pressure sensor according to one of the configurations described above in a measuring point of an automation system for determining a pressure of a process medium present at the process membrane, which has a process pressure ⁇ 1 bar absolute and a process temperature ⁇ 400°C.
  • An advantageous variant of the use provides that the pressure sensor is introduced into the measuring point in such a way that a hydrostatic pressure of the first transmission fluid located in the second hydraulic path acts on the transmission membrane and thus also on the second transmission fluid located in the first hydraulic path that the hydrostatic pressure of the first transmission fluid counteracts a process pressure of a medium applied to the process diaphragm.
  • 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 made of metal.
  • 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. Details of this are explained below following a description of the structure of the transmission module.
  • the metallic 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 transducer are manufactured as turned parts.
  • 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 a first 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 first 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 filled with a second transmission liquid.
  • a pressure applied to the transmission membrane is transmitted to the pressure measuring cell 16, so that it is subjected to a corresponding pressure for determining the pressure value.
  • 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 design of the filling channel Closure are familiar to the person skilled in the art and do not require any further explanation.
  • a liquid with a higher density than the density of a second transfer liquid is used as the first transfer liquid.
  • a gallium-based alloy with at least 50 percent by mass, preferably at least 60 percent by mass, gallium can be used as the first 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.
  • metals with a melting point below 350° C. such as indium (157° C.), tin (232° C.), zinc (420° C.), lead (327° C.), bismuth, come as possible further component or components (271 °C) and/or mercury (-38.8 °C), whereby it should be noted that mercury can in principle be considered as an additional component, but should not be used due to its toxicity.
  • a liquid with a density lower than the density of the first transfer liquid can be used as the second transfer liquid.
  • standard transmission liquids such as the silicone oils mentioned at the outset, which are customary in today's diaphragm seals, can be used here.
  • the hydrostatic pressure pHydro the fluid column of the hydraulic path that is filled with the transmission fluid with the higher density, can be increased.
  • the pressure transmitter must be mounted in a measuring point 32 of an automation system 30 in such a way that the hydrostatic pressure pHydro resulting from the fluid column of the second hydraulic path is applied to the transmission membrane 25 and thus to the pressure in the sensor module 1 located first hydraulic path affects.
  • This is shown as an example in FIG. 1 in such a way that the diaphragm seal is installed or mounted “upside down” in the measuring point, for example a measuring tube.
  • the diaphragm seal does not have to be installed exactly vertically, as is shown in Fig. 1, but it is sufficient for the diaphragm seal to be inclined in relation to a "normal" installation position, which is rotated 180° to the installation position shown in Fig. 1 is.

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Abstract

Druckaufnehmer umfassend ein Sensormodul (1) mit - einem Sensorkörper (11), der eine Messzellenkammer (15) aufweist, in der eine Druckmesszelle (16) über einen ersten mit einer zweiten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist, und - ein Übertragungsmodul (2) zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad, wobei das Übertragungsmodul (2) einen zweiten mit einer von der zweiten unterschiedlichen ersten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von einer Prozessmembran (24) durch einen Übertragungskörper (22) zu einer Übertragungsmembran (25) erstreckt, - die Übertragungsmembran (25) druckdicht an dem Übertragungskörper (22) befestigt ist, - der Sensorkörper (11) derart druckdicht mit dem Übertragungskörper (2) verbunden ist, dass der erste hydraulische Pfad mit der Übertragungsmembran (25) kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad übertragbar ist, und - die erste Übertragungsflüssigkeit eine höhere Dichte aufweist als die zweite Übertragungsflüssigkeit.

Description

Druckaufnehmer
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Druckaufnehmers sowie eine Verwendung eines solchen Druckaufnehmers in einer Messstelle einer Automatisierungsanlage.
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 denen das Prozessmedium eine hohe Temperatur und einen niedrigen Prozessdruck aufweist. Beispielsweise bei so genannten Vakuumanwendungen, bei denen das Prozessmedium eine Temperatur bis 400°C und einen Prozessdruck unter 1 bar Absolutdruck aufweist, da unter diesen Umständen die Übertragungsflüssigkeit ausgast bzw. verdampft oder chemisch zu den flüchtigen Stoffen zerlegt wird. 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 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. In solchen Fällen können die Zerlegungsprodukte so hohe Drucke entwickeln, dass die metallische Membrane platzt und hydraulische Flüssigkeit aus dem Drucksensor das Prozessmedium verunreinigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckaufnehmer gemäß Patentanspruch 1 .
Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer umfasst ein Sensormodul mit
- einem Sensorkörper, der eine Messzellenkammer aufweist, in der eine Druckmesszelle angeordnet ist, wobei die Druckmesszelle über einen ersten mit einer zweiten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad mit einem Druck beaufschlagbar ist, und
- ein, insbesondere metallisches Übertragungsmodul zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad, wobei das Übertragungsmodul einen zweiten mit einer von der zweiten unterschiedlichen ersten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad aufweist, der sich von einer Prozessmembran durch einen Übertragungskörper zu einer Übertragungsmembran erstreckt,
- die Übertragungsmembran druckdicht an dem Übertragungskörper befestigt ist,
- der Sensorkörper derart druckdicht mit dem Übertragungskörper verbunden ist, dass der erste hydraulische Pfad mit der Übertragungsmembran kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad übertragbar ist, und
- die erste Übertragungsflüssigkeit eine höhere Dichte aufweist als die zweite Übertragungsflüssigkeit.
Erfindungsgemäß wird ein Druckaufnehmer bzw. Druckmittler vorgeschlagen, bei dem die beiden hydraulischen Pfade mit zwei Übertragungsflüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten befüllt sind, wobei die erste Übertragungsflüssigkeit mit der höheren Dichte sich in dem zweiten hydraulischen Pfad befindet, der als Trennung zwischen dem Prozessmedium und dem Sensormodul dient und die zweite Übertragungsflüssigkeit mit der geringeren Dichte sich in dem ersten hydraulischen Pfad befindet, der den durch die zweite Übertragungsflüssigkeit über den ersten hydraulischen Pfad übertragenen Druck weiter zu der Druckmesszelle überträgt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers sieht vor, dass die erste Übertragungsflüssigkeit eine, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis ist, 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. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, 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 Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers sieht vor, dass wobei die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unter 450°C, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt unter 350°C.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers sieht vor, dass die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus Indium, Zinn, Zink, Blei, Wismut, und/oder Quecksilber.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers sieht vor, dass die Legierung mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers sieht vor, dass die zweite Übertragungsflüssigkeit eine Silikonöl ist. Die Erfindung betrifft weiterhin em Verfahren zum Betreiben eines Druckaufnehmers nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen in einer Messstelle einer Automatisierungsanlage zur Bestimmung eines an der Prozessmembran anliegenden Druckes eines Prozessmediums, wobei der Druckaufnehmer derartig in die Messstelle eingebracht ist, dass ein hydrostatischer Druck der in dem zweiten hydraulischen Pfad befindlichen ersten Übertragungsflüssigkeit auf die Übertragungsmembran und somit auch auf die in dem ersten hydraulischen Pfad befindlichen zweiten Übertragungsflüssigkeit wirkt, so dass der hydrostatische Druck der ersten Übertragungsflüssigkeit einem an der Prozessmembran anliegenden Prozessdruck eines Mediums entgegenwirkt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Druckaufnehmer zur Bestimmung des an der Prozessmembran anliegenden Druckes des Prozessmediums mit einem Prozessdruck < 1 bar absolut bei einer Prozesstemperatur < 400°C eingesetzt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines Druckaufnehmers gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen in einer Messstelle einer Automatisierungsanlage zur Bestimmung eines an der Prozessmembran anliegenden Druckes eines Prozessmediums, welches einen Prozessdruck < 1 bar absolut und eine Prozesstemperatur < 400°C aufweist.
Eine vorteilhafte Variante der Verwendung sieht vor, dass der Druckaufnehmer derartig in die Messstelle eingebracht ist, dass ein hydrostatischer Druck der in dem zweiten hydraulischen Pfad befindlichen ersten Übertragungsflüssigkeit auf die Übertragungsmembran und somit auch auf die in dem ersten hydraulischen Pfad befindlichen zweiten Übertragungsflüssigkeit wirkt, so dass der hydrostatische Druck der ersten Übertragungsflüssigkeit einem an der Prozessmembran anliegenden Prozessdruck eines Mediums entgegenwirkt.
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 aus einem Metall gefertigtes 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. Einzelheiten hierzu werden weiter unten im Anschluss an eine Beschreibung der Struktur des Übertragungsmoduls erläutert.
Das metallische 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 Druckaufnehmers 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 einer ersten Übertragungsflüssigkeit gefüllt und bilden einen ersten hydraulischen Pfad.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers bzw. Druckmittlers kann somit die Prozessmembran 24 einem Prozessmedium ausgesetzt werden, und der Druck des Mediums wird mittels der ersten 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 mit einer zweiten Übertragungsflüssigkeit gefüllt. Auf diese Weise wird ein an der Übertragungsmembran anliegender Druck zu der Druckmesszelle 16 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 erste Übertragungsflüssigkeit eine Flüssigkeit mit einer höheren Dichte als die Dichte einer zweiten Übertragungsflüssigkeit verwendet. Beispielsweise kann als erste Übertragungsflüssigkeit eine Legierung auf Gallium Basis mit mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium verwendet werden, 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 350°C, wie zum Beispiel Indium (157°C), Zinn (232°C), Zink (420°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.
Als zweite Übertragungsflüssigkeit kann eine Flüssigkeit mit geringerer Dichte als die Dichte der ersten Übertragungsflüssigkeit verwendet werden. Hierbei können insbesondere Standardübertragungsflüssigkeiten, wie zum Beispiel die eingangs erwähnten Silikonöle, die bei heutigen Druckmittlern üblich sind, eingesetzt werden.
Durch die Verwendung zweier Übertragungsflüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten kann der hydrostatische Druck pHydro, der Fluidsäule des hydraulischen Pfades der mit der Übertragungsflüssigkeit mit der höheren Dichte befüllt ist, vergrößert werden.
Hierzu muss der Druckmittler derartig in einer Messstelle 32 einer Automatisierungsanlage 30 montiert werden, dass sich der aus der Fluidsäule des zweiten hydraulischen Pfades ergebende hydrostatische Druck pHydro auf die Übertragungsmembran 25 und somit auf den im Sensormodul 1 befindlichen ersten hydraulischen Pfad auswirkt. In Fig. 1 ist dies exemplarisch derartig dargestellt, dass der Druckmittler „kopfüber“ in die Messstelle, bspw. ein Messrohr, eingebaut bzw. montiert ist. Grundsätzlich muss der Druckmittler dabei nicht exakt senkrecht eingebaut sein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, sondern es reicht, dass der Druckmittler gegenüber einer „normalen“ Einbaulage, die quasi 180° gedreht zu der in Fig. 1 dargestellten Einbaulage ist, geneigt ist. Durch diese Einbaulage sowie durch die Verwendung von Übertragungsflüssigkeiten mit unterschiedlicher Dichte kann dann ein im Vergleich zu Druckmittlern die mit einer einzigen Übertragungsflüssigkeit befüllt sind, höherer Druck auf den ersten hydraulischen Pfad 12 ausgeübt werden. Dies führt dazu, dass der hydrostatische Druck pHydro dem Prozessdruck pprozess entgegenwirkt und somit langfristig verhindert werden kann, dass ein Grenzdruck der ersten Übertragungsflüssigkeit im Sensormodul 1 unterschritten wird. Dies führt wiederum dazu, dass ein Ausgasen der zweiten Übertragungsflüssigkeit verhindert werden kann.
Durch die Verwendung zweier Übertragungsflüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten ergibt sich aber auch noch ein weiterer Vorteil. Dieser besteht darin, dass der Druckmittler einen geringeren Temperaturfehler aufweist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass sich die temperaturabhängige Volumenausdehnung gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Druckmittler, bei dem nur eine (einzige) Übertragungsflüssigkeit verwendet wird, wie folgt verhält: AV(Standardübertragungsflüssigkeit) » AV(Legierung auf Gallium Basis als Übertragungsflüssigkeit) > AV(Metall aus dem der Druckmittler, insbesondere das Übertragungsmodul, ausgebildet ist). Bezugszeichenhste
1 Sensormodul
2 Übertragungsmodul
11 Sensorkörper
12 Messzellenkanal / erster hydraulischer Pfad
13 Erste Stirnfläche
15 Messzellenkammer
16 Druckmesszelle
17 Montagewand
18 Erste Montagestirnfläche
21 Prozesskörper
22 Übertragungskörper
23 Durchgängige Kapillarleitung / zweiter hydraulischer Pfad
24 Prozessmembran
25 Übertragungsmembran
26 Zweite Montagestirnfläche
28 Übertragungsdruckkammer
29 Prozessdruckkammer
30 Automatisierungsanlage
31 Prozessmedium
32 Messstelle g Gravitationskraft
Prozessdruck
Phlydro Hydrostatischer Druck

Claims

Patentansprüche
1 . Druckaufnehmer umfassend ein Sensormodul (1 ) mit
- einem Sensorkörper (11 ), der eine Messzellenkammer (15) aufweist, in der eine Druckmesszelle (16) angeordnet ist, wobei die Druckmesszelle (16) über einen ersten mit einer zweiten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad (12) mit einem Druck beaufschlagbar ist, und
- ein, insbesondere metallisches Übertragungsmodul (2) zum Übertragen eines Drucks zu dem ersten hydraulischen Pfad (12), wobei das Übertragungsmodul (2) einen zweiten mit einer von der zweiten unterschiedlichen ersten Übertragungsflüssigkeit gefüllten hydraulischen Pfad (23) aufweist, der sich von einer Prozessmembran (24) durch einen Übertragungskörper (22) zu einer Übertragungsmembran (25) erstreckt,
- die Übertragungsmembran (25) druckdicht an dem Übertragungskörper (22) befestigt ist,
- der Sensorkörper (11 ) derart druckdicht mit dem Übertragungskörper (2) verbunden ist, dass der erste hydraulische (12) Pfad mit der Übertragungsmembran (25) kommuniziert, so dass der Druck des zweiten hydraulischen Pfades (23) durch die Übertragungsmembran auf den ersten hydraulischen Pfad (12) übertragbar ist, und
- die erste Übertragungsflüssigkeit eine höhere Dichte aufweist als die zweite Übertragungsflüssigkeit.
2. Druckaufnehmer nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Übertragungsflüssigkeit eine, insbesondere eutektischen Legierung auf Gallium Basis ist, 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.
3. Druckaufnehmer nach dem vorhergehenden 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.
4. Druckaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt unter 450°C, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt unter 350°C.
5. Druckaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Komponente bzw. die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus Indium, Zinn, Zink, Blei, Wismut, und/oder Quecksilber.
6. Druckaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Legierung mindestens 50 Massenprozent, vorzugsweise mindestens 60 Massenprozent Gallium aufweist.
7. Druckaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Übertragungsflüssigkeit eine Silikonöl ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Druckaufnehmers nach Anspruch 1 in einer Messstelle (32) einer Automatisierungsanlage (30) zur Bestimmung eines an der Prozessmembran (24) anliegenden Druckes eines Prozessmediums (31 ), wobei der Druckaufnehmer derartig in die Messstelle (32) eingebracht ist, dass ein hydrostatischer Druck (pHydro) der in dem zweiten hydraulischen Pfad (23) befindlichen ersten Übertragungsflüssigkeit auf die Übertragungsmembran (25) und somit auch auf die in dem ersten hydraulischen Pfad (12) befindlichen zweiten Übertragungsflüssigkeit wirkt, so dass der hydrostatische Druck (pHydro) der ersten Übertragungsflüssigkeit einem an der Prozessmembran (24) anliegenden Prozessdruck (pprozess) eines Mediums entgegenwirkt.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Druckaufnehmer zur Bestimmung des an der Prozessmembran anliegenden Druckes des Prozessmediums mit einem Prozessdruck < 1 bar absolut bei einer Prozesstemperatur < 400°C eingesetzt wird.
10. Verwendung eines Druckaufnehmers nach Anspruch 1 in einer Messstelle einer Automatisierungsanlage zur Bestimmung eines an der Prozessmembran anliegenden Druckes eines Prozessmediums, welches einen Prozessdruck <
I bar absolut und eine Prozesstemperatur < 400°C aufweist.
I I .Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Druckaufnehmer derartig in die Messstelle (32) eingebracht ist, dass ein hydrostatischer Druck der in dem zweiten hydraulischen Pfad (23) befindlichen ersten Übertragungsflüssigkeit auf die Übertragungsmembran (25) und somit auch auf die in dem ersten hydraulischen Pfad (12) befindlichen zweiten Übertragungsflüssigkeit wirkt, so dass der hydrostatische Druck (pHydro) der ersten Übertragungsflüssigkeit einem an der Prozessmembran (24) anliegenden Prozessdruck (pprozess) eines Mediums entgegenwirkt.
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