DE10200779B4

DE10200779B4 - Druckmittler mit Modul zur Erkennung von Membranbrüchen und Druckmessgerät zur Erkennung von Membranbrüchen

Info

Publication number: DE10200779B4
Application number: DE2002100779
Authority: DE
Inventors: Olaf Textor
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: US6705169B2; US20030154794A1; DE10200779A1

Abstract

Druckmittler umfassend
einen Grundkörper (20);
ein Trennmembransystem mit
einer ersten Trennmembran (31) und einer zweiten Trennmembran (21) zwischen denen ein Zwischenraum (32, 33, 34) druckdicht eingeschlossen ist, wobei die dem Zwischenraum (32, 33, 34) abgewandte erste Oberfläche der ersten Trennmembran (31) mit dem in einem ersten Medium vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist, die dem Zwischenraum (32, 33, 34) abgewandte erste Oberfläche der zweiten Trennmembran dem Grundkörper (20) zugewandt ist und mit ihrem Randbereich an dem Grundkörper unter Bildung einer Druckkammer zwischen dem Grundkörper und der zweiten Trennmembran befestigt ist,
wobei die Druckkammer mit dem zweiten Medium befüllbar ist und eine Druckkammeröffnung aufweist, durch welche der Druck mittels des zweiten Mediums übertragen werden kann, wobei ferner eine Druckbeaufschlagung der ersten Trennmembran (31) über den Zwischenraum auf die zweite Trennmembran (21) übertragbar ist; und
einem Sensor (4), zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums (32, 33, 34), dadurch...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmittler zur Übertragung eines Drucks von einem in einem ersten Medium vorherrschenden Druck auf ein zweites Medium.
Genauer betrifft die Erfindung Druckmittler mit einem Grundkörper; einem Trennmembransystem mit einer ersten Trennmembran und einer zweiten Trennmembran, zwischen denen ein Zwischenraum druckdicht eingeschlossen ist, wobei die dem Zwischenraum abgewandte erste Oberfläche der ersten Trennmembran mit dem in dem ersten Medium vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist, die dem Zwischenvolumen abgewandte erste Oberfläche der zweiten Trennmembran dem Grundkörper zugewandt ist und mit dem Grundkörper eine Druckkammer bildet, die mit dem zweiten Medium befüllbar ist, wobei die Druckkammer eine Druckkammeröffnung aufweist, durch welche der Druck mittels des zweiten Mediums übertragen werden kann, wobei ferner eine Druckbeaufschlagung der ersten Trennmembran über das Zwischenvolumen auf die zweite Trennmembran übertragbar ist; und einem Sensor, zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenvolumens.
Druckmittler werden unter anderem bei der Druckmessung in aggressiven Medien eingesetzt, wobei die Trennmembran mit einem aggressiven ersten Medium beaufschlagt wird und den im ersten Medium vorherrschenden Druck auf ein zweites Medium in der Druckkammer überträgt, von wo er über eine geeignete Druckzuleitung einer Druckmeßzelle zugeführt wird. Eine Druckübertragung mit einem Druckmittler und einer angeschlossenen Druckleitung kann aber auch bei nicht aggressiven Medien erwünscht sein, um große Strecken zwischen dem ersten Medium und dem Ort der Druckmeßzelle zu überbrücken, oder um eine Druckmeßzelle von den hohen Temperaturen des ersten Mediums fernzuhalten.
Zur Druckübertragung werden als zweites Medium vorzugsweise inkompressible Öle verwendet. Insofern als ein solches Medium geeignet ist, ein Meßmedium zu kontaminieren, und aus verschiedenen anderen Gründen ist es erforderlich, ein Leck oder einen Bruch in der Trennmembran bzw. einem Trennmembransystem frühzeitig zu erkennen.
Hierzu offenbaren Wiegand et al. in der DE 199 49 831 A1 einen gattungsgemäßen Druckmittler, bei dem die erste Membran und die zweite Membran die gleiche Gestalt haben, und der Zwischenraum evakuiert ist. Der Sensor zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums ist ein einfacher Drucksensor der ein Leck im Membransystem anhand einer Druckänderung im Zwischenraum nachweist.
In der DE 101 44 230 A1 von Bernauer et al. des gleichen Anmelders wird ein Druckmeßgerät mit einem gattungsgemäßen Druckmittler offenbart, bei dem der Zwischenraum zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran mit einer Flüssigkeit oder einem Feststoff gefüllt ist. Ein Leck des Membransystems ist dann beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Konsistenz der Flüssigkeit oder aufgrund des Eindringens des ersten oder des zweiten Mediums in den Zwischenraum anhand einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften, der Leitfähigkeit, oder der optischen Eigenschaften mittels eines geeigneten Sensors nachweisbar. Die Anordnung von Bernauer et al. ist insofern vorteilhaft, als geringere Hystereseerscheinungen zu erwarten sind als bei dem Membransystem gemäß der Lehre von Wiegand et al., denn die Reibungskräfte zwischen den unmittelbar aneinander anliegenden korrugierten Membranen sollten größer sein als die Schwerkräfte, die zwischen voneinander beabstandeten Membranen bei Auslenkungen auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Zwischenraum mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Die zuvor beschriebenen Vorrichtungen erfüllen den Zweck, daß Sie einen Membranbruch erkennen können, jedoch erfordert der zuvor beschriebene Ansatz eine vollständige Neuausrüstung der bereits im Betrieb befindlichen Meßstellen. Zudem würde die Vielfalt der Druckmeßanwendungen eine große Zahl an unterschiedlichen Druckmittlern mit den beschriebenen Membransystemen mit zwei Trennmembranen erfordern, um den jeweiligen Gegebenheiten gerecht zu werden. Dies bedeutet einen sehr hohen Fertigungsaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen gattungsgemäßen Druckmittler bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und das Druckmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 9. Weitere Vorteile und Gesichtspunkte ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen der Beschreibung und den Zeichnungen.
Der erfindungsgemäße Druckmittler umfaßt einen Grundkörper; ein Trennmembransystem mit einer ersten Trennmembran und einer zweiten Trennmembran, zwischen denen ein Zwischenraum druckdicht eingeschlossen ist, wobei die dem Zwischenraum abgewandte erste Oberfläche der ersten Trennmembran mit dem in dem ersten Medium vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist, die dem Zwischenraum abgewandte erste Oberfläche der zweiten Trennmembran dem Grundkörper zugewandt ist und mit ihrem Randbereich an dem Grundkörper unter Bildung einer Druckkammer zwischen dem Grundkörper und der zweiten Trennmembran befestigt ist, wobei die Druckkammer mit dem zweiten Medium befüllbar ist und eine Druckkammeröffnung aufweist, durch welche der Druck mittels des zweiten Mediums übertragen werden kann, wobei ferner eine Druckbeaufschlagung der ersten Trennmembran über das Zwischenvolumen auf die zweite Trennmembran übertragbar ist; und einem Sensor, zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittler weiterhin ein Membranmodul aufweist, welches einen Modulkörper umfaßt, an dem die erste Trennmembran mit ihrem Randbereich befestigt ist, wobei das Membranmodul mittels des Modulkörpers an dem Grundkörper befestigt ist.
Der Sensor zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums kann sowohl an dem Grundkörper als auch an dem Membranmodul angeordnet sein.
Insbesondere bei Membranmodulen zur Nachrüstung von Druckmittlern ohne Membranbruchüberwachung ist der Sensor zur Überwachung von einer Eigenschaft des Zwischenraums vorzugsweise am Membranmodul angeordnet. Bei einer modularen Fertigung von erfindungsgemäßen Druckmittlern kann der Sensor sowohl am Grundkörper als auch am Sensormodul angeordnet sein, wobei eine Montage des Sensors am Grundkörper derzeit zumindest dann vorgezogen wird, wenn der Druckmittler Bestandteil eines Druckmeßgerätes oder Differenzdruckmeßgerätes mit einer Druckmeßzelle ist, da in diesem Fall die erforderlichen Anschlüsse des Sensors einfach in das Elektronikgehäuse des Druckmeßgerätes zu führen sind.
Als Nachweisprinzipien können alle zuvor genannten Prinzipien für die Membranbruchüberwachung eingesetzt werden, wobei derzeit eine kapazitive bzw. konduktive Überwachung einer Flüssigkeit im Zwischenraum bevorzugt ist.
Für Membranmodule zur Nachrüstung an Druckmittler mit einem Prozeßanschluß empfiehlt es sich, daß das Membranmodul auf seiner dem Druckmittler zugewandten Seite einen zum Prozeßanschluß komplementären Anschluß aufweist, und an der dem Prozeß zugewandten Seite einen entsprechenden Prozeßanschluß aufweist. Sei der Neukonstruktion von erfindungsgemäßen Druckmittlern können über einen einheitlichen Modulanschluß Module mit unterschiedlichen Prozeßanschlüssen am Grundkörper befestigt werden.
Hinsichtlich der Ausgestaltung der Membranmodule können diese u. a. ein Membranbett für die erste Trennmembran und ggf. einen gesonderten Überlastmechanismus aufweisen.
Die erste Trennmembran kann den gleichen geometrischen Abmessungen wie die zweite Trennmembran aufweisen, wobei grundsätzlich auch andere Abmessungen möglich sind. Zur Verringerung der Gesamtsteifigkeit des Trennmembransystems kann die zweite Trennmembran eine erheblich dünnere Materialstärke sowie günstigere Materialien aufweisen als die erste Trennmembran, da die zweite Trennmembran nicht mehr mit korrosiven Medien in Kontakt kommt.
Sofern es die geometrischen Verhältnisse erlauben, kann die zweite Trennmembran einen größeren Durchmesser aufweisen als die erste Trennmembran, um bei einer gegebenen Materialstärke die Membrankräfte für das erforderliche Hubvolumen der Membran zu minimieren.
Das Membranmodul sollte bevorzugt lösbar mit dem Grundkörper verbunden sein, damit es nach einem Membranbruch einfach ausgetauscht werden kann.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Schnittzeichnung einer bevorzugten Ausführungsform eines Druckmeßgerätes mit einem erfindungsgemäßen Druckmittlers.
2: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckmittlers.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmittlers wird nun anhand 1 erläutert.
Das Druckmeßgerät 1 umfaßt eine Meßzelle 11 in der Sensorkammer 12 eines Gehäuses 10, in welcher die Meßzelle 11 mit einem Meßdruck beaufschlagt wird. Der Meßdruck wird der Meßzelle 11 über einen Druckmittler 2 zugeführt, der einen im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 20 und eine zweite Trennmembran 21 aufweist. Die zweite Trennmembran 21 ist vorzugsweise über einem Membranbett an der dem Gehäuse 10 abgewandten Stirnseite des Grundkörpers 20 unter Einschluß eines zweiten Membranvolumens befestigt. Dieses zweite Membranvolumen ist mit der Sensorkammer 12 über eine Kapillarleitung durch den Grundkörper 20 verbunden, und das zweite Membranvolumen, die Sensorkammer 12, sowie die Kapillarleitung sind mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß Druckbeaufschlagungen der Trennmembran 21 auf die Meßzelle übertragen werden. Der Grundkörper 20 weist auf seiner Mantelfläche ein Gewinde auf, mit dem er in geeignete Anschlüsse geschraubt werden kann. Soweit handelt es sich um ein Druckmeßgerät mit einem Druckmittler nach dem Stand der Technik. Um dieses Meßgerät mit einer Membranbruchüberwachung auszustatten, wird dem Druckmittler 2 ein Membranmodul 3 vorgeschraubt, welches einen im wesentlichen zylindrischen Modulkörper 30 und eine erste Trennmembran 31 aufweist, die vorzugsweise über einem Membranbett 32 unter Einschluß eines ersten Membranvolumens an der dem Druckmittler 2 abgewandten Stirnseite des Modulkörpers 30 befestigt ist. An der dem Druckmittler 2 zugewandten Stirnseite des Modulkörpers 30 ist eine Aussparung vorgesehen, welche mindestens die Fläche der zweiten Trennmembran 21 aufweist und mit dieser in axialer Richtung fluchtet. Durch die druckdichte Verschraubung von dem Membranmodul 3 und dem Druckmittler 2 bildet sich zwischen diesen eine Druckkammer 34, welche durch die zweite Trennmembran 21 und die Aussparung begrenzt ist. Die Druckkammer 34 kommuniziert über einen Kanal 33, der sich durch den Modulkörper 30 erstreckt, mit dem ersten Membranvolumen. Die Druckkammer 34, der Kanal 33 und das erste Membranvolumen sind mit einem Übertragungsmedium, insbesondere einem Hydrauliköl gefüllt, so daß eine Druckbeaufschlagung der ersten Trennmembran auf die zweite Trennmembran übertragen wird.
Der Modulkörper 30 weist vorzugsweise einen Ölüberlauf 35 auf, welcher beim Verschrauben des Modulkörpers 30 mit dem Grundkörper 20 überschüssiges Öl ausfließen läßt. Der Kanal wird erst dann druckdicht verschlossen, wenn die Schraubverbindung der beiden Teile ihren endgültigen Sitz erreicht. Durch diese Konstruktion ist es möglich, ein Membranmodul 3 ohne aufwendige Befüllungsanlagen zu montieren.
Schließlich weist das Membranmodul 3 einen Leitfähigkeitssensor 4 auf, dessen Elektroden 40 mittels geeigneter Durchführungen mit dem Übertragungsmedium in elektrischem Kontakt stehen. Die 1 zeigt eine Anordnung, bei der die Elektroden 40 in den Kanal 33 münden. Es sind jedoch auch Anordnungen geeignet, bei denen die Elektroden 40 in das erste Membranvolumen münden. Dies hat den Vorteil, daß ein Membranbruch früher erkannt werden kann, da Verunreinigungen, die von der Membran her eindringen, bis zur Nachweisbarkeit eine kürzere Strecke zurückzulegen haben.
Anstelle des Leitfähigkeitssensors kommt gleichermaßen ein Kapazitätssensor oder ein pH-Meter in Frage. Wenn nun im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckmeßgerätes ein Bruch der ersten Trennmembran erfolgt, so daß Verunreinigungen in das erste Membranvolumen bzw den Kanal 33 eindringen, so werden die dadurch verursachten Eigenschaftsänderungen des Übertragungsmediums von dem Sensor 4 erfaßt und in Form eines elektrischen Signals in geeigneter Weise ausgegeben.
Die gesamte Anordnung ist nun mittels des Gewindes auf der Mantelfläche des Modulkörpers 3 in geeignete Anschlüsse einschraubbar.
2 zeigt eine andere Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform durch die Ausgestaltung des Membranmoduls unterscheidet. Das Membranmodul 36 weist in diesem Fall einen Modulkörper 37 und eine erste Trennmembran 38 mit einer Querschnittsfläche auf, die gegenüber den entsprechenden Querschnittsflächen des Druckmittlers 2 vergrößert sind. Ansonsten ist die Funktionsweise des Membranmoduls 36 mit der Funktionsweise des Membranmoduls 3 im wesentlichen identisch. Zudem sind beliebige Prozeßanschlüsse für das Membranmodul denkbar.
Optional kann das Membranmodul 36 bereits beim Hersteller fest montiert werden, wobei in diesem Fall der Modulkörper 37 mit dem Grundkörper 20 verschweißt werden kann.
Die größere Fläche der ersten Trennmembran 37 ermöglicht es, eine dickere Materialstärke zu verwenden, ohne daß die erste Trennmembran 37 zu steif wird. Dies ist insbesondere bei Einsatz des Druckmeßgerätes in agressiven Medien von Vorteil, da somit der Membranbruch verzögert werden kann.

Claims

Druckmittler umfassend einen Grundkörper (20); ein Trennmembransystem mit einer ersten Trennmembran (31) und einer zweiten Trennmembran (21) zwischen denen ein Zwischenraum (32, 33, 34) druckdicht eingeschlossen ist, wobei die dem Zwischenraum (32, 33, 34) abgewandte erste Oberfläche der ersten Trennmembran (31) mit dem in einem ersten Medium vorherrschenden Druck beaufschlagbar ist, die dem Zwischenraum (32, 33, 34) abgewandte erste Oberfläche der zweiten Trennmembran dem Grundkörper (20) zugewandt ist und mit ihrem Randbereich an dem Grundkörper unter Bildung einer Druckkammer zwischen dem Grundkörper und der zweiten Trennmembran befestigt ist, wobei die Druckkammer mit dem zweiten Medium befüllbar ist und eine Druckkammeröffnung aufweist, durch welche der Druck mittels des zweiten Mediums übertragen werden kann, wobei ferner eine Druckbeaufschlagung der ersten Trennmembran (31) über den Zwischenraum auf die zweite Trennmembran (21) übertragbar ist; und einem Sensor (4), zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums (32, 33, 34), dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittler weiterhin ein Membranmodul (3) aufweist, welches einen Modulkörper (30) umfaßt, an dem die erste Trennmembran (31) mit ihrem Randbereich befestigt ist, wobei der Modulkörper am Grundkörper (20) befestigt ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Sensor (4) zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums (32, 33, 34) an dem Membranmodul (3) angeordnet ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Sensor (4) zur Überwachung einer Eigenschaft des Zwischenraums (32, 33, 34) ein Leitfähigkeitssensor, ein Kapazitätssensor, oder ein pH-Meter ist.
Druckmittler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Membranmodul ein Membranbett aufweist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranmodul einen Überlastschutz aufweist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Trennmembran eine größere Fläche aufweist als die zweite Trennmembran.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Trennmembran eine erheblich dünnere Materialstärke aufweist als die erste Trennmembran.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Membranmodul lösbar mit dem Grundkörper verbunden ist.
Druckmessgerät; mit einem Gehäuse 10, welches eine Sensorkammer aufweist, einer Meßzelle 11, die in der Sensorkammer angeordnet ist, und einen Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Meßzelle 11 in der Sensorkammer über den Druckmittler 2 mit einem Meßdruck beaufschlagbar ist.