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.

Beide Möglichkeiten weisen allerdings den Nachteil auf, dass eine Echtzeit (englisch„real-time“) Temperaturerfassung, aufgrund der Trägheit der

Übertragungsflüssigkeit nicht möglich ist.

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 welche 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.

Sollte in anderen Messaufgaben neben dem Prozessdruck eine zweite Messgröße mit einem zweiten Sensor erfasst werden, stellt sich das gleiche konstruktive Problem. D.h. es muss wieder ein Montageplatz für den zweiten Sensor vorgesehen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der die

genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des unabhängigen Anspruchs 9.

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 umfasst, der im Mittenbereich an einer der ersten

Trennmembranseite gegenüberliegenden zweiten Trennmembranseite der Trennmembran befestigt ist, und der Grundkörper in dem Mittenbereich mit der Trennmembran derartig verbunden ist, dass die Übertragungsflüssigkeit nicht in Kontakt mit dem Temperatursensor kommt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Temperatursensor im Mittenbereich an der zweiten

Trennmembranseite mit der Trennmembran mittels einer wärmeleitfähigen Schicht verbunden ist. Die wärmeleitfähige Schicht kann bspw. durch einen wärmeleitfähigen Kleber, einen Weichlötverbindung oder eine wärmeleitfähige Paste gebildet sein. Der wärmeleitfähige Kleber weist vorzugsweise eine

Wärmeleitfähigkeit im gehärteten Zustand von größer 0,1 , bevorzugt größer 0,5 W/(m-K) auf. Die wärmeleitfähige Paste weist vorzugsweise eine

Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,8 bis 10 W/(m-K) auf. Eine

Weichlötschicht weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von größer 50 W/mK auf.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper eine durchgehende, zentrale Ausnehmung, insbesondere Bohrung aufweist, in welche der Temperatursensor von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers eingesetzt ist.

Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass ein Zwischenraum zwischen dem Temperatursensor und einer Wandung der zentralen Bohrung zumindest teilweise mit einem Wärmeisolationsmaterial, vorzugsweise einem anderen Wärmeisolationsmaterial als Luft, ausgekleidet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper in dem Mittenbereich mit der Trennmembran durch eine umlaufende Klebeverbindung verbunden ist, so dass die

Übertragungsflüssigkeit nicht in Kontakt mit dem Temperatursensor kommt. Als Kleber für die Klebeverbindung wird vorzugsweise eine Epoxydkleber verwendet, der einen kleineren oder annäherungsweise gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der umgebende Grundkörper und/oder eine geringe Wechselwirkung mit der Übertragungsflüssigkeit aufweist. Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass der Grundkörper und die Trennmembran (3) jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Trennmembran zwischen einer den Mittenbereich begrenzenden Umlauflinie und dem umlaufenden Rand einen auslenkbaren Arbeitsbereich aufweist, und zwischen der Umlauflinie und dem umlaufenden Rand zumindest eine umlaufende Sicke vorgesehen ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die umlaufende Klebeverbindung zwischen der den

Mittenbereich begrenzenden Umlauflinie und der zentralen Ausnehmung, insbesondere Bohrung aufgebracht ist. Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst einen erfindungsgemäßen

Druckmittler 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. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass ein Signal des Temperatursensors am Eingang einer Korrekturschaltung zur Korrektur eines Temperaturfehlers des druckabhängigen Signals anliegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Druckwandlers sieht vor, dass der Druckwandler ein Absolutdruckwandler, ein Relativdruckwandler oder ein Differenzdruckwandler ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 : einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckwandler, und

Fig. 2: ein Ausschnitt von einem Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Druckmittler, der Teil des Druckwandlers ist.

Der in Figur 1 dargestellte Druckwandler umfasst einen Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 2, an der eine scheibenförmige Trennmembran 3 mit einer einzigen umlaufenden Schweißnaht 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 weist zwei umlaufende Sicken 19 auf. 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 umfasst einen Trägerkörper 111 , an dem eine piezoresistives Druckmesselement 11 befestigt ist. Die Druckmesszelle 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, der mit der Bohrung durch den Grundkörper verbunden ist, die Druckmesszelle mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Insoweit dient die Druckmesszelle 11 als Druckempfänger des durch die Bohrung und den Kanal 112 realisierten hydraulischen Pfades. Das Primärsignal der Druckmesszelle 11 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 Bohrung 8 durch den

Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls bis zur Rückseite, d.h. der

prozessabgewandten Seite der Trennmembran, eingebracht ist, um die

Temperatur des Prozessmediums zu erfassen. Eine zentrale Bohrung bedeutet hierbei ein Bohrung die sich entlang einer auf eine Außenkontur des Grundkörpers bezogene Rotationsachse erstreckt. Dadurch, dass der

Temperatursensor 20 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, sodass sich ein derartiger Aufbau insbesondere für hygienische Anwendungen und/oder bei aggressiven Chemikalien eignet. Um schnelle Temperaturänderungen des Prozessmediums zuverlässig feststellen zu können, ist der Temperatursensor mit einem wärmeleitfähigen Kleber 15 an der Rückseite der Trennmembran 3 angeklebt, sodass eine gute thermische Kopplung gegeben ist. Vorzugsweise weist die Trennmembran 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 in einem Mittenbereich 12, welcher sich um die Rotationsachse 18 erstreckt, mit dem Grundköper verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine umlaufende Klebeschicht bzw. Klebeverbindung 13 mittels eines speziellen Klebers, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit als der wärmeleitfähige Kleber aufweist, erfolgen. Ferner kann um den Temperatursensor 20 auch von dem Grundkörper thermische zu entkoppeln, ein Wärmeisolationsmaterial 9 in einen Zwischenraum zwischen eine Bohrwandung 81 und dem Temperatursensor 20 eingebracht sein.

Das Primärsignal des Temperatursensors, 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.

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper

2 Oberfläche

3 Trennmembran

31 Umlauflinie

32 Umlaufender Rand

33 Erste Seite der Trennmembran

34 Zweite Seite der Trennmembran

4 Druckkammer

5 Hydraulischer Pfad

6 Öffnung

7 Übertragungsflüssigkeit

8 Bohrung

81 Wandung der Bohrung

9 Wärmeisolationsmaterial

10 Schweißnaht

1 1 Druckmesszelle

1 1 1 Trägerkörper

1 12 Kanal

12 Mittenbereich

13 Umlaufende Klebeverbindung

14 Elektronische Schaltung

15 Wärmeleitfähiger Kleber

16 Korrekturschaltung

17 Elektrische Leitungen

18 Rotationsachse

19 Sicke

20 Temperatursensor