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Title:
PRESSURE SENSOR COMPRISING AN INTERCHANGEABLE PROCESS MEDIUM CONNECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/100940
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a pressure sensor comprising a sensing element, a pressure sensor housing (1), in which a sensor chamber containing the sensing element is defined, said pressure sensor housing (1) also having a front face (4) with a housing opening, by means of which the sensor can be impinged by a pressure, a process medium connection (2), which has a connection opening (5) in a connection front face (3). The process connection can be connected to the pressure sensor housing in such a way that said connection opening is aligned with the housing opening and the connection front face encloses the housing front face. A sealing ring (6) is located between the pressure sensor housing and the process medium connection, said ring consisting of an elastomeric material and sealing a gap between the connection front face and the housing front face. Preferably, the regions of the connection front face (3) and the housing front face (4) that lie adjacent to the gap are coplanar with one another.

Inventors:
TANNER JUERGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/051346
Publication Date:
October 27, 2005
Filing Date:
March 23, 2005
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS & HAUSER GMBH & CO KG (DE)
TANNER JUERGEN (DE)
International Classes:
G01L19/00; (IPC1-7): G01L19/00
Foreign References:
US5665920A1997-09-09
US6035722A2000-03-14
US4527430A1985-07-09
DE19616658A11997-09-25
EP1484590A22004-12-08
Other References:
See also references of EP 1743155A1
Attorney, Agent or Firm:
Andres, Angelika c/o Endress+hauser (Holding GmbH PatServ, Colmarer Strasse 6 Weil am Rhein, DE)
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Description:
Beschreibung

Druckaufnehmer mit austauschbarem Prozessanschluss [001] Die vorliegende Erfindung betrifft Druckaufnehmer insbesondere einen Druck¬ aufnehmer mit einem austauschbaren Prozessanschluss. Druckaufnehmer werden gewöhnlich mittels eines Prozessanschlusses an eine druckführende Leitung bzw. an einen druckführenden Behälter angeschlossen. Im Sinne eines minimierten logistischen Aufwands ist es wünschenswert, dass ein vorkalibriertes Standardmodul des Druck¬ aufnehmers je nach Bedarf mit einer Vielzahl von Prozessanschlüssen verbunden werden kann, ohne dass die Verbindung des Standardmodul mit dem Prozessanschluss adverse Einflüsse auf die Kalibrierung hat. Andererseits erfordern Hygienean¬ wendungen totraumfreie und spaltfreie Anschlüsse, um eine einfache Reinigung der medienführenden Behälter bzw. Leitungen, an denen der Druckaufnehmer montiert ist, zu gewährleisten. Der Druckschalter der Efector 500 Familie mit der Typbezeichnung PI2053 der Firma ifm Elektronik setzt zum Zwecke der Spaltfreiheit eine Me¬ talldichtung ein, wobei die Rückwirkungsfreiheit der Montage des Anschlusses auf die Kalibration des Druckaufnehmers aufgrund der erhöhten Einspannkräfte bei dieser Lösung zweifelhaft erscheint. [002] Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung einen Druckaufnehmer mit einem ver¬ besserten Anschluss für Prozessanschlüsse bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfin¬ dungsgemäß gelöst durch den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patent¬ anspruchs 1. [003] Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer umfasst [004] einen Drucksensor; [005] ein Druckaufnehmergehäuse welches vorzugsweise in seinem Inneren eine Sen¬ sorkammer definiert, in welcher der Sensor angeordnet ist, wobei das Druckaufneh¬ mergehäuse ferner eine Gehäusestirnfläche mit einer Gehäuseöffnung aufweist, durch welche der Sensor mit einem Druck beaufschlagbar ist; [006] einen Prozessanschluss, welcher in einer Anschlussstirnfläche eine Prozessan- schlussöffnung aufweist, wobei der Prozessanschluss derart mit dem Druckaufneh¬ mergehäuse verbindbar ist dass die Prozessanschlussöffnung mit der Gehäuseöffnung fluchtet und dass die Anschlussstirnfläche die Gehäusestirnfläche umgreift, wobei zwischen der Druckaufnehmergehäuse und dem Prozessanschluss ein Dichtring angeordnet ist, welcher einen elastomerischen Werkstoff aufweist, und welcher einen Spalt zwischen der Anschlussstirnfläche der Gehäusestirnfläche abdichtet, wobei vor¬ zugsweise die an den Spalt angrenzenden Bereiche der Anschlussstirnfläche und der Gehäusestirnfläche zueinander koplanar sind. [007] Das Druckaufnehmergehäuse hat vorzugsweise in dem an die Gehäusestirnfläche angrenzenden Montageabschnitt einen im Wesentlichen axialsymmetrischen oder zumindest abschnittsweise zylindersymmetrischen Aufbau. Ein erster Mantelflächen¬ abschnitt des Montageabschnitts des Druckaufnehmergehäuses welcher an die Gehäu¬ sestirnfläche angrenzt weist einen schalenförmigen ersten Dichtungssitz auf, der den Dichtring axial und radial abstützt. Der erste Dichtungssitz kann beispielsweise einen Abschnitt einer Toroidfläche oder Kugelschalenfläche umfassen. [008] Der erste Dichtungssitz weist vorzugsweise einen ersten gratfreien Übergang zur die Gehäusestirnfläche auf, welcher beispielsweise wulstartig verlaufen kann. Weiterhin weist der erste Dichtungssitz einen zweiten Übergang zu dem auf der von der Stirnfläche abgewandten Seite des Dichtungssitzes angrenzenden zweiten Mantel¬ flächenabschnitt des Montageabschnitts auf. Der zweite Übergang ist vorzugsweise ebenfalls gratfrei. In Ebenen entlang der Zylinderachse verläuft der erste Dichtungssitz konkav, während der erste und der zweite Übergang konvex verlaufen. Die Krüm¬ mungsradien des konkaven Bereiches überstreichen dabei vorzugsweise einen Win¬ kelbereich von mindestens 135°, weiter bevorzugt mindestens 150° und besonders bevorzugt mindestens 180°. [009] Der maximale Radius des zweiten Mantelflächenabschnitts ist größer, als der maximale Radius des ersten Übergangs. D.h., der die Gehäusestirnfläche begrenzende erste Übergang ist radial einwärts versetzt gegenüber dem zweiten Mantelflächen¬ anschnitt des Montageabschnitts. So erfährt der Dichtring eine axiale und radiale Abstützung durch den ersten Dichtungssitz, so dass er beim Einsetzen des Montage¬ abschnitts des Druckaufnehmergehäuses in die Prozessanschlussöffnung zwischen dem ersten Dichtungssitz und der Prozessanschlussöffnung axial und radial eingespannt werden kann. [010] Die Prozessanschlussöffnung hat hierzu einen zum Montageabschnitt des Druckauf¬ nehmergehäuses komplementären Aufbau. Die Anschlussstirnfläche weist an seinem der Prozessanschlussöffnung zugewandten Innenrand einen dritten gratfreien konvexen Übergang zu einem zweiten schalenförmigen Dichtungssitz auf, welcher in wiederum in die zylindrische Innwand der Prozessanschlussöffnung übergeht. Der minimale Radius der Prozessanschlussöffnung, welcher im Bereich des dritten Übergangs verläuft, ist kleiner als der maximale Radius des zweiten Übergangs und größer als der maximale Radius des ersten Übergangs. [011] Die Differenz zwischen dem minimalen Radius der Prozessanschlussöffnung und dem maximalen Radius des ersten Übergangs beträgt vorzugsweise nicht mehr als die halbe Materialstärke des Dichtungsrings, weiter bevorzugt nicht mehr als ein drittel und besonders bevorzugt nicht mehr als ein viertel der Materialstärke des Dich¬ tungsrings. Diese Begrenzung ist insoweit vorteilhaft, als dadurch ein zu weites Her¬ vorquellen des Dichtungsrings vermieden wird. [012] Andererseits ist es vorteilhaft, wenn die Differenz zwischen dem minimalen Radius der Prozessanschlussöffnung und dem maximalen Radius des ersten Übergangs so groß ist, dass der Dichtring in einem solchen Maße in dem Spalt zwischen der Gehäu¬ sestirnfläche und der Anschlussstirnfläche nach vorne gedrückt wird, dass die Dichtlinien, also die medienseitigen Berührungslinien zwischen dem Dichtungsring und dem Druckaufnehmergehäuse bzw. dem Prozessanschluss dermaßen in den Bereich des ersten bzw. dritten konvexen Übergangs verlagert werden, dass die Dichtung im Ergebnis spaltfrei ist und Hygieneanforderungen genügt. Hierzu beträgt die Differenz zwischen dem minimalen Radius der Prozessanschlussöffnung und dem maximalen Radius des ersten Übergangs vorzugsweise nicht weniger als ein sechstel der Materialstärke des Dichtungsrings, weiter bevorzugt nicht weniger als ein fünftel der Materialstärke des Dichtungsrings. [013] Der minimale Krümmungsradius beträgt im Sinne einer kompakten Dichtgeometrie > im ersten bzw. dritten konvexen Übergang vorzugsweise nicht mehr als ein sechstel und weiter bevorzugt nicht mehr als einem achtel der Materialstärke des Dichtrings. Weiterhin beträgt der minimale Krümmungsradius im ersten bzw. dritten konvexen Übergang vorzugsweise nicht weniger als ein zwölftel und weiter bevorzugt nicht weniger als ein zehntel der Materialstärke des Dichtrings. [014] In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung weisen der Prozessanschluss und das Druckaufnehmergehäuse zueinander komplementäre Gewindeabschnitte auf, so dass Druckaufnehmergehäuse in den Prozessanschluss einschraubbar ist. Zur Definition einer exakten axialen Position der genannten Komponenten zueinander sind vor¬ zugsweise axiale Anschlagflächen vorgesehen, die durch radiale Stufen gebildet werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei einschraubbaren Komponenten auf eine drallfreie Bearbeitung der Übergänge und Dichtungssitze verzichtet werden kann. [015] Die Gehäuseöffnung ist bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druck¬ aufnehmers mit einer druckempfindlichen Membran, insbesondere Metallmembran, verschlossen, welche den auf sie wirkenden Druck in ein hydraulisches Druckübertra¬ gungssystem einleitet, mit dem der Druck dem Drucksensor in dem Druckaufneh¬ mergehäuse zugeführt wird. [016] Das Drackaufαehmergehäuse du der Prozessanschluss weisen beispielsweise me¬ tallische Werkstoffe, wie u.a. Edelstahl oder Aluminium auf. Als Dichtringmaterial ist beispielsweise EPDM geeignet. [017] Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung des in der Zeichnung dar¬ gestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt: [018] Fig. 1: einen Teillängsschnitt durch einen Prozessanschlussflansch mit dem einge¬ schraubten Montageabschnitt eines Druckaufnehmers; und [019] Fig. 2: eine Detailansicht zu Fig. 1. Das in Fign. 1 und 2 dargestellte Ausführangsbeispiel umfasst einen Druck¬ aufnehmer mit einem Druckaufnehmergehäuse 1, welches einen Montageabschnitt 10 umfasst, der in eine Prozessanschlussöffnung 5 eines Prozessanschlusses 2 frontbündig eingeschraubt ist. Das Druckaufnehmergehäuse 1 weist eine Gehäusestirnfläche 4 auf, welche von einer im Wesentlichen koplanaren Anschlussstirnfläche 3 des Prozessan¬ schlusses 2 umgeben ist. Das Gehäuse und der Prozessanschluss sind aus Edelstahl gefertigt. Zwischen den beiden Stirnflächen verläuft ein Spalt, der durch einen Dichtring 6 verschlossen ist, so dass im Ergebnis eine spaltfreie Verbindung zwischen dem Prozessanschluss 2 und dem Druckaufnehmergehäuse 1 gegeben ist. Der Dichtring weist einen elastomerischen Werkstoff auf, beispielsweise EPDM. Der Dichtring hat einen Innendurchmesser von 15,54 mm und einen Materialstärke von 2,62 mm. Der Innendurchmesser Entspricht der dem zweifachen Wert des minimalen Radius R eines ersten schalenförmigen Dichtungssitzes 7, welcher in der Mantelfläche des Montageabschnitts 10 ausgebildet ist. Der erste Dichtungssitz 7 ist toroid- schalenartig, und sein Krümmungsradius in Schnittebenen, die durch die Symme¬ trieachse S festgelegt sind, ist etwa gleich der halben Materialstärke des Dichtrings 6. Der konkave Teil des ersten Dichtungssitzes 7 wird zu der Gehäusestirnfläche 4 durch einen ersten konvexen gratfreien Übergang begrenzt, dessen minimaler Krüm¬ mungsradius in den zuvor definierten Axialschnittebenen etwa 0,3 mm beträgt. Der Maximale Radius R des ersten Übergangs beträgt etwa 8,75 mm. Zur Mantelfläche des Umformergehäuses ist ein zweiter konvexer Übergang mit einem minimalen Krümmungsradius von 0,3 mm in den Axialschnittebenen vorgesehen. Der Radius R der angrenzenden Mantelfläche ist hinreichend groß, dass die radiale Stufe zwischen R und dem zweiten Übergang als axiale Abstützung des Dichtrings 6 zu dessen axialer Einspannung dienen kann. Die Stirnfläche 3 des Prozessanschlusses wird zur Öffnung hin durch einen dritten konvexen Übergang begrenzt, der wieder einen minimalen Krümmungsradius von etwa 0,3mm in den Axialschnittebenen aufweist und an den ein zweiter schalenförmiger Dichtungssitz 8 anschließt, der schließlich in einen zy¬ lindrischer Wandabschnitt der Prozessanschlussöffnung 5 übergeht. Der zweite scha¬ lenförmige Dichtungssitz weist in einem konvexen Abschnitt etwa den gleichen Krüm¬ mungsradius auf, wie der konvexe Abschnitt des ersten schalenförmigen Dich¬ tungssitzes 7. Der minimale Radius R des dritten Übergangs ist kleiner als der Radius R des zweiten Übergangs um 0,55 mm größer als der maximale Radius R des ersten Übergangs. Der Spalt zwischen den Stirnflächen des Prozessanschlusses 2 und des Druckaufnehmergehäuses 1 wird durch den Dichtring 6 geschlossen, welcher beim Einschrauben des Druckaufnehmergehäuses in die Prozessanschlussöffnung durch die axialen Einspannkräfte so weit in den Spalt gedrückt wird, dass die Berührungslinien zwischen dem Dichtring 6 und dem ersten bzw. dritten Übergangsbereich mindestens bis zur axialen Ebene des maximalen Radius Rl bzw. bis zur axialen Ebene des minimalen Radius R3 in Richtung der Stirnflächen verschoben sind. Vorzugsweise verlaufen die Berührungslinien in dem axialen Bereich zwischen der Ebene der Stirnflächen und der axialen Ebene des maximalen Radius Rl bzw. der axialen Ebene des minimalen Radius R3.