DD279067A1 - Verfahren zum vorspannen von ueberlastmembranen fuer differenzdruckmessumformer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannen von Ueberlastmembranen fuer Differenzdruckmessumformer, das ein moeglichst ganzflaechiges Anliegen der Ueberlastmembran an ihrem Traeger ohne den Einsatz von zusaetzlichen Federn oder einer erstarrenden Fluessigkeit zur Durchwoelbung der Membran gegen eine Stuetzflaeche gewaehrleistet und die Profilierung der Trennmembran unabhaengig von dem der Ueberlastmembran ermoeglicht. Erreicht wird das dadurch, dass als Traeger fuer die Ueberlastmembran eine verformbare Traegerscheibe verwendet wird, mit der zunaechst die ebene aus federhartem Material bestehende Ueberlastmembran mit ihrem Umfang unnachgiebig verbunden, vorzugsweise verschweisst wird. Anschliessend werden beide Teile in einer geeigneten Vorrichtung durch Druckbeaufschlagung auf die der Ueberlastmembran abgewandten Seite der Traegerscheibe ueber den genannten Bereich der Traegerscheibe bleibend sphaerisch verformt. Fig. 3

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannen von Uberlastmembranen, die zum Schutz des Meßelementes vor einseitiger Überlastung in Differenzdruckmeßumformern eingesetzt werden Derartige Meßumformer werden insbesondere in der Prozeß- und Aggregatautomatisierung zur Erfassung der physikalischen Große Differenzdruck und davon abgeleiteter physikalischer Großen häufig verwendet

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist allgemein bekannt, in Differenzdruckmeßumformern zum Schutz des Sensors vor einseitiger Überlastung vorgespannte Uberlastmembranen einzusetzen Derartige Meßumformer bestehen gewöhnlich aus zwei Kammern, die nach außen zum Prozeßmedium hin durch dünne Trennmembranen abgeschlossen und mit einer inkompressiblen Druckubertragungsflussigkeit, ζ B Silikonol, gefüllt sind Beide Kammern sind durch eine starre Wand voneinander getrennt, wobei der Sensor und die Uberlastmembran Bestandteil dieser Trennwand sind Aas der Vielzahl der bekannten Losungen soll beispielhaft auf die Erfindungsbeschreibungen US-PS 4546653, DE-OS 2718931 und DE-OS 3047276 verwiesen werden Um temperaturabhängige Fehler möglichst klein zu halten, ist man bestrebt, das Volumen der beiden Kammern gleich und so klein wie möglich zu halten, d h , der Überlastschutz soll möglichst kein zusatzliches Olvolumen beanspruchen, wie es bei den genannten Erfindungsbeschreibungen der Fall ist

Eine weitere Forderung besteht dann, daß im Meßbereich der Überlastschutz keine Bewegung ausfuhrt und dadurch bei den üblichen sehr steifen und kleinen Halbleitersensoren vom Membrantyp, die nach dem piezoresistiven oder kapazitiven Meßpnnzip arbeiten, die Trennmembranen keine Bewegung ausfuhren Eine Bewegung der Trennmembran fuhrt zu einem Verbrauch von Meßenergie, zu Hysteresefehlern und zu Linearitatsfehlern infolge der Nichtlineantat der Membransteifigkeit, weshalb die Trennmembransteifigkeit möglichst klein sein muß Durch eine Volumenverschiebung der Druckubertragungsflussigkeit verschlechtert sich außerdem das dynamische Verhalten des Meßumformers Um diese Nachteile zu umgehen, ist es aus dem EP 86737 bekannt, zwei Uberlastmembranen, die außen an dem Aufnahmekorper befestigt sind und unter Vorspannung an diesem anliegen, zu verwenden

Die Vorspannung der Uberlastmembran wird bei der einen Ausfuhrungsform durch eine Feder gewährleistet, die sich an einer fest mit dem Aufnahmekorper verbundenen Platte abstutzt und die Uberlastmembran gegen den Aufnahmekorper druckt Nachteilig ist, daß Feder und Uberlastmembran in einer nichtzuganglichen Zusatzkammer liegen und die Feder dem Einfluß des Prozeßmediums, das sehr aggressiv sein kann, ausgesetzt ist Durch Korrosion und Ablagerungen aus dem Prozeßmedium wird in unerwünschter Weise die Uberlastschwelle verändert

Weiterhin wird durch die Feder nur der zentrale Bereich der Uberlastmembran gegen den Aufnahmekorper gedruckt, so daß eine unerwünschte Bewegung einer Membranteilflache nicht zuverlässig verhindert wird Das Vorsehen einer Platte, die die Federkraft auf eine größere Flache verteilt, ware wegen der zusatzlichen Masse, die bei schnellen Uberlastvorgangen stark beschleunigt werden muß, nachteilig

Bei der anderen Ausfuhrungsform ist die Uberlastmembran in der zwischen Trennmembran und Aufnahmekorper gebildeten Vorkammer angeordnet und liegt ebenfalls mit Vorspannung an dem Aufnahmekorper an Die Vorspannung wird dadurch erzeugt, daß eine erstarrende Flüssigkeit, ζ B Zinn oder Plaste, über einen zusätzlichen Kanal zwischen Aufnahmekorper und Uberlastmembran gedruckt wird, wobei der dazu aufgewendete Druck die spatere Uberlastschwelle bestimmt, also den Meßdruck, bei dem die Uberlastmembran vom Membranbett abhebt Um ein mögliches Verkleben der erstarrenden Flüssigkeit mit der Uberlastmembran zu verhindern, wird zwischen dieser und der Flüssigkeit eine dünne Abdichtmembran vorrgesehen Durch die zusätzliche Abdichtmembran und den Kanal im Aufnahmekorper zum Einbringen der erstarrenden Flüssigkeit ist diese Losung fertigungsaufwendig Außerdem ist die Druckeinleitung nur außerhalb des Bereiches der Dichtmembran, also unmittelbar am Rand der Uberlastmembran möglich, wodurch eine die Uberlastschutzfunktion erst voll sichernde schnelle Druckverteilung unter der Uberlastmembran nicht stattfinden kann, zumal es nicht möglich ist, diese durch zusatzliche unter der Uberlastmembran verlaufende Druckverteilungskanale zu gewährleisten Da im Uberlastfall die Trennmembran gegen die Uberlastmembran gepreßt wird, muß ihre Profilierung übereinstimmen Da aus Funktionsgrunden die Federsteife der

Trennmembranen sehr klein und die der Uberlastmembran sehr groß sein soll, kann die Form des Wellenprofiles beider Membranen, welche deren Federsteife mitbestimmt, nicht auf die erforderliche unterschiedliche Profilform optimiert werden

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vorspannen von Uberlastmembranen fur Differenzdruckmeßumformer zu schaffen, das oben genannte Nachteile nicht aufweist und die Anwendung einer auf eine kleine Federsteife optimierten Trennmembran gestattet

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fertigungstechnisch einfaches Verfahren zum Vorspannen von Uberlastmembranen in Differenzdruckmeßumformern zu schaffen, das ein möglichst ganzflachiges Anliegen der Uberlastmembran an ihrem Trager ohne den Einsatz zusatzlicher Federn oder einer erstarrenden Flüssigkeit zur Durchwolbung und damit Vorspannung der Membran gegen eine Stutzflache gewährleistet und bei dem die Profilierung der Trennmembran unabhängig von dem der Uberlastmembran erfolgen kann

Erfindungsgemaß wird das dadurch erreicht, daß als Trager fur die Uberlastmembran eine verformbare Tragerscheibe verwendet wird, mit der zunächst die ebene aus federhartem Material bestehende Uberlastmembran mit ihrem Umfang unnachgiebig verbunden, vorzugsweise verschweißt wird. Anschließend werden beide Teile in einer geeigneten Vorrichtung durch Druckbelastung auf die der Uberlastmembran abgewandten Seite der Tragerscheibe bleibend sphärisch verformt, wobei die Tragerscheibe in der Vorrichtung mit ihrem Rand lose aufliegt

In vorteilhafter Weise wird vor dem Wölben der Tragerscheibe auch die Trennmembran mit ihrem Umfang mit der Tragerscheibe auf der Uberlastmembran abgewandten Seite verschweißt

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig1 einen Schnitt durch einen Differenzdruckmeßumformer mit den erfindungsgemaß auf Tragerscheiben vorgespannten

Uberlastmembranen Fig 2 einen Schnitt durch die aus Uberlastmembran, Tragerscheibe und Trennmembran bestehende Membraneinheit vor dem

Wölben Fig 3 einen Schnitt durch eine geeignete Vorrichtung zum Wölben der Membraneinheit mit einer Membraneinheit nach dem

Wölben Fig 4 die Druckbelastung/Volumen-Kennlienie des durch die Uberlastmembran und die Tragerscheibe gebildeten elastischen hydraulischen Speichers

Die nach der Erfindung vorgespannten Uberlastmembranen dienen dem Schutz des Drucksensors 20 in einem Differenzdruckmeßumformer, wie er als ein mögliches Anwendungsbeispiel in Fig 1 dargestellt ist Die zu messenden Drucke werden jeweils in eine Hochdruckeinlaßkammer 1 und in eine Niderdruckeinlaßkammer 2 eingeleitet, die jeweils von einem Gehausedeckel 3,5 und einem Mittelteil 4 gebildet werden In jeder Einlaßkammer 1,2 ist eine Membraneinheit angeordnet, die jeweils aus einer Tragerscheibe 6, 7, einer Uberlastmembran 10,11 und einer Trennmembran 8,9 besteht Der erste Schritt zur Herstellung einer solchen Membraneinheit ist in Fig 2 dargestellt Eine ebene aus federhartem Material bestehende Uberlastmembran 10 wird an ihrem Umfang mit einer gleichfalls ebenen, dickeren aber noch verformbaren Tragerscheibe 6 verschweißt Die der Druckübertragung vom Prozeßmedium auf die Druckubertragungsflussigkeit 23 im Inneren des Meßumformers dienende Trennmembran 8 wird ebenfalls mit ihrem Umfang mit der gegenüberliegenden Seite der Tragerscheibe 6 verschweißt, wobei fur beide Verbindungen vorzugsweise ein Schweißverfahren, wie Elektronenstrahl- oder Laserschweißen, zur Anwendung kommen Die der Trennmembran 8 zugewandte Seite der Tragerscheibe ist als profiliertes Membranbett ausgebildet, an dem sich die Trennmembran im Uberlastfall abstutzen kann Nach Herstellung der in Fig 2 gezeigten ebenen Membraneinheit erfolgt im nächsten Schritt das sphärische Durchwolben der Membraneinheit in der in Fig 3 gezeigten Vorrichtung Die Membraneinheit hegt in der Vorrichtung auf dem ringförmigen Unterteil 30 nur in einer schmalen Randzone in loser Randeinspannung auf und wird von dem Deckel 31, der nur auf dem Dichtring 32 dichtet, nicht eingespannt Das Durchwolben der Membraneinheit wird auf einfache Weise dadurch realisiert, daß in die Vorrichtungskammer 33 zwischen Membraneinheit und Deckel 31 ein entsprechend bemessener Druck eingeleitet wird, der eine bleibende sphärische Wölbung der Membraneinheit bewirkt Bei diesem Vorgang wird die Uberlastungsmembran 10 gedehnt und liegt dadurch, daß ihre hohe Matenalstreckgrenze nicht überschritten wird, mit der gewünschten Vorspannung an der Tragerscheibe 6 an Die Wölbung der Membraneinheit in loser Randeinspannung sichert ein ganzflachiges enges Anliegen der Uberlastmembran 10 an der Tragerscheibe und garantiert damit einen minimalen Olbedarf durch den Überlastschutz Bei der beschriebenen Wölbung der Membraneinheit wird gleichzeitig die als dünne ebene Folie aufgeschweißte Trennmembran 8 an ihrem Membranbett geprägt Durch die Konkavwolbung der Tragerscheibe wird der Befestigungsdurchmesser der Trennmembran verringert, was einer Erhöhung der Materialspannungen in der Trennmembran infolge der Einpragung des Wellenprofils entgegenwirkt Dadurch wird eine fur die Funktion der Trennmembran nachteilige Erhöhung der Federsteife aufgrund der Kaltverfestigung des Membranmaterials beim Pragevorgang infolge Dehnung vermieden

Für einen Einsatz der beschriebenen Membraneinheit in einem Differenzdruckmeßumformer mit dem Meßbereich 6,3kPahaben sich die folgenden Abmessungen und Materialien als vorteilhaft erwiesen:

Überlastmembran: Durchmesser

50 mm

	Dicke	0,12mm
	Material	Cr-Ni-Stahlband mit einer Streckgrenze von etwa
		900 N/mm2
Trägerscheibe:	Durchmesser	60 mm
	Dicke	3 mm
	Material	Cr-Ni-Stahl mit einer Streckgrenze von etwa
		200 N/mm2
Trennmembran:	Durchmesser	60 mm
	Dicke	0,04 mm
	Material	weiches Cr-Ni-Stahlband

Mit einer Druckbelastung von 3,5MPa in der Kammer 33 wurde bei o.g. Beispiel eine bleibende Durchwölbung der Trägerscheibenmitte von 0,27 mm, bezogen auf einen Durchmesser von 50 mm, erreicht. Die Trennmembran 8 mit einer Wellenprofiltiefe von etwa 0,15 mm wurde bei diesem Vorgang gleichzeitig mttgeprägt.

Fig. 4 zeigt die Druckbelastungs-Volumen-Kennlinie des durch die Überlastmembran 10,11 und die entsprechende Trägerscheibe 6,7 gebildeten elastischen hydraulischen Speichers. Daraus ist ablesbar, daß dieser in gewünschter Weise bis zu einer dicht über dem Meßbereichsendwert von 6,3 kPa liegenden Überlastschwelle (etwa 8kPa) praktisch kein Volumen aufnimmt und erst bei darüberliegenden Drücken seine Speicherkapazität durch Abheben der Überlastmembran 10,11 von der Trägerscheibe 6,7 freigibt. Beispielsweise führt ein vom Speicher aufzunehmendes Volumen in den zwischen Trennmembran 8, 9 und Trägerscheibe 6,7 gebildeten Vorkammern 12,13 von etwa 200mm³ Druckübertragungsflüssigkeit zu einem sich nach Anlage der Trennmembran einstellenden Endwert von etwa47kPa, der von dem Durchmesser 20 unbeschadet vertragen wird. In Fig. 1 ist ein Differenzdruckmeßumformer als ein möglicher Anwendungsfall für die Membraneinheiten dargestellt. Ohne auf Details einzugehen, soll zum besseren Verständnis kurz die Funktionsweise des Überlastschutzes mit der erfindungsgemäß vorgespannten Überlastmembran erläutert werden.

Der in der Hochdruckkammer 1 anliegende Druck wird über die Trennmembran 8 auf diemitSilikonöl gefüllte Vorkammer 12 und über die Druckübertragungskanäle 14, die Bohrung 15, den unter der Überlastmembran 11 verlaufenden Kanal 16, die Bohrung 17 und den Kanal 18 an die plusseitige Teilmeßkammer 19 übertragen. Analog dazu erfolgt die Übertragung des in der Niederdruckkammer 1 anliegenden Druckes über Trennmembran 9, Vorkammer 13 und die Kanäle bzw. Bohrungen 29,24, 25, 26,27 in die minusseitige Teilmeßkammer 28. Innerhalb des vorgesehenen Meßbereiches des Meßumformers liegen die Überlastmembranen infolge ihrer Vorspannung fest und ganzflächig an den Trägerscheiben an und sind damit in bezug auf die Meßeigenschaften des Gerätes wirkungslos. Übersteigt nun der Differenzdruck den Meßbereichsendwert und die eingestellte Überlastschwelle, d. h., liegt eine einseitige Überlastung beispielsweise von der Hochdruckseite her vor, so wird die Überlastmembran 11 von dem Träger weg in die Einlaßkammer 2 bewegt und nimmt dabei die durch das Anlegen der Membran 8 an die Trägerscheibe 6 aus der Vorkammer 12 herausgedrängte Flüssigkeit auf.

Claims (2)

1. Verfahren zum Vorspannen von Uberlastmembranen bei Differenzdruckmeßumformern mitunter Vorspannung an ihrem Träger anliegenden Uberlastmembranen, dadurch gekennzeichnet, daß als Trager eine verformbare Tragerscheibe (6,7) verwendet wird, mit der zunächst die ebene aus federhartem Material bestehende Uberlastmembran (10,11) mit ihrem Umfang unnachgiebig verbunden wird und das anschließend beide Teile in einer geeigneten Vorrichtung durch Druckbelastung auf die der Uberlastmembran (10,11) abgewandten Seite der Tragerscheibe (6,7) über den gesamten Bereich der Trägerscheibe bleibend sphärisch verformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ebenen Tragerscheibe (6,7) auf der der Uberlastmembran abgewandten Seite auch die Trennmembran (8, 9) mit ihrem Umfang unnachgiebig verbunden und anschließend die sphärische Verformung durchgeführt wird.