DE19882225B4

DE19882225B4 - Meßwertgeber mit Trenneinheit für Drucksensor

Info

Publication number: DE19882225B4
Application number: DE19882225T
Authority: DE
Inventors: Fred C. Excelsior Sittler
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2018-03-07
Also published as: DE19882225T1; GB2338066A; CA2283588A1; US5731522A; GB2338066B; GB9921573D0; CN1134654C; CN1249812A; WO1998041833A1

Abstract

Meßwertgeber zum Bereitstellen eines einen Druck eines Prozeßfluids anzeigenden Ausgangssignals mit:
einem Meßwertgebergehäuse;
einer im Meßwertgebergehäuse angeordneten Meßwertgeberschaltung zum Bereitstellen des Ausgangssignals als Antwort auf ein Sensorausgangssignal;
einer mit dem Meßwertgebergehäuse verbundenen Sensorkupplung zum Definieren eines Sensorhohlraums mit einem Hohlraumvolumen, das mit einem Trennfluid gefüllt ist, wobei die Sensorkupplung einen ersten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten aufweist;
einer mit der Sensorkupplung verbundenen Trennmembran, durch die der Sensorkörper definiert wird, wobei die Trennmembran dazu geeignet ist, den Druck mit dem Trennfluid zu koppeln;
einem im Sensorhohlraum angeordneten und mit dem Trennfluid gekoppelten Drucksensor, wobei der Drucksensor das Sensorausgangssignal der Meßwertgeberschaltung zuführt; und
einem mit dem Hohlraum verbundenen Wärmeausgleichselement mit einem zweiten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten zum Kompensieren von durch die thermische Volumenausdehnung der Sensorkupplung verursachten Änderungen des Hohlraumvolumens.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betriftt einen Druckmeßwertgeber zum Überwachen eines Drucks in einem Betriebsablauf. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Entkopplungs- oder Trenneinheit für einen Drucksensor in einem Meßwertgeber.
In Druckmeßwertgebern wird eine Trenneinheit mit einer Trennmembran verwendet, die einen in einer Drucksensorkupplung im Meßwertgeber gehaltenen Drucksensor von dem zu erfassenden Betriebs- oder Arbeits- bzw. Prozeßfluid trennt. Druck wird von der Trennmembran zu einem Sensorhohlraum der Sensorkupplung, die den Sensor hält, und auf ein im wesentlichen inkompressibles Trennfluid übertragen. Der Druck des Trennfluids reflektiert den Druck des Prozeßfluids, und der Drucksensor erzeugt in Antwort auf den erfaßten Druck ein Ausgangssignal. Im US-Patent Nr. 4833922 mit dem Titel "MODULAR PRESSURE TRANSMITTER", im US-Patent Nr. 5094109 mit dem Titel "PRESSURE TRANSMITTER WITH STRESS ISOLATION DEPRESSION" und im US-Patent Nr. 5524492 mit dem Titel "PRESSURE TRANSMITTER ISOLATION DIAPHRAGM" sind Druckmeßwertgeber dieses Typs beschrieben.
Durch thermische (Volumen-)Ausdehnung von Komponenten des Meßwertgebers können Fehler in Druckmessungen verursacht werden. Beispielsweise können durch Kompression und Ausdehnung oder Expansion des Trennfluids, typischerweise eines Öls, Fehler in die Druckmessung eingeführt werden. Außerdem kann durch thermische Ausdehnung von Komponenten der Trenneinheit eine Änderung des gemessenen Drucks verursacht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Druckmeßwertgeber zum Erfassen des Drucks eines Prozeßfluids bereitgestellt. Der Meßwertgeber weist ein Meßwertgebergehäuse, eine Meßwertgeberschaltung und einen mit der Meßwertgeberschaltung verbundenen Drucksensor auf. Eine Sensorkupplung im Meßwertgebergehäuse definiert einen Sensorhohlraum um den Drucksensor, der mit einem Trennfluid gefüllt ist. Die Sensorkupplung weist einen ersten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten auf. Eine Trennmembran ist mit der Sensorkupplung verbunden und dichtet den Sensorhohlraum vom Prozeßfluid ab. Ein Wärmeausgleichs- oder -kompensationselement ist mit dem Sensorhohlraum gekoppelt und weist einen zweiten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten auf, der so ausgewählt ist, daß das Volumen sich so ändert, daß durch thermische Volumenausdehnung der Sensorkupplung und/oder des Trennfluids verursachte Druckänderungen kompensiert werden. Verschiedene Aspekte der Erfindung weisen das Reduzieren der Trennfluidmenge, das Verwenden einer dünnen Trennmembran und das Kompensieren der thermischen Volumenausdehnung des Trennfluids und der zugeordneten mechanischen Komponenten auf.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Teilansicht zum Darstellen eines Meßwertgebers mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit;
2 zeigt eine Querschnittansicht der Sensoreinheit von 1; und
3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Sensoreinheit.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckmeßwertgeber 10 mit einem Meßwertgeberkörper 12, einem Flansch 13 und einer Drucksensoreinheit 14. Der Meßwertgeberkörper 12 weist eine Sensorschaltung 18 und eine Meßwertgeberschaltung 20 auf. Ein Drucksensor 16 wird in der Einheit 14 gehalten und ist mit der Sensorschaltung 18 gekoppelt. Der Drucksensor 16 spricht auf einen Druck P1 in einem Durchlaß oder Kanal 28 und Flansch 13 an. Die Sensorschaltung 18 ist über einen Kommunikationsbus 22 mit der Meßwertgeberschaltung 20 verbunden. Die Meßwertgeberschaltung 20 überträgt mit dem Druck P1 eines Prozeßfluids in Beziehung stehende Informationen über eine Zweidraht-Kommunikationsschaltung 26. Diese kann beispielsweise eine 4~20-mA-Stromschleife oder eine Industrienorm-Prozeßsteuerungsschaltung des Typs HART oder eine Feldbusschleife sein. Der Meßwertgeber 10 wird über die Schaltung 26 von einem Kontrollraum 27 mit einer Spannungsquelle 29 und einem Serienwiderstand 31 vollständig mit Spannung versorgt.
In Druckesensoreinheiten wird typischerweise ein Öl als Trennfluid verwendet. Das Öl wird verwendet, um einen Hohlraum zu füllen, der durch eine Trennmembran vom Prozeßfluid getrennt ist. Wenn die Membran durch den durch das Prozeßfluid ausgeübten Druck aus- oder abgelenkt wird, wird das Trennfluid durch die Ablenkung unter Druck gesetzt, und ein Drucksensor in der Sensoreinheit erfaßt den Druck. Durch diese Anordnung wird verhindert, daß das korrodierende oder anderweitig schädliche Prozeßfluid mit dem Drucksensor direkt in Kontakt kommt.
In der vorliegenden Erfindung wird erkannt, daß durch typische herkömmliche Sensoreinheiten Fehler in die Druckmessung eingeführt werden. Erstens ist für die Ablenkung oder Verstellung der Trennmembran eine Kraft zum Bewegen der Membran erforderlich, wodurch der auf das Trennfluid übertragene Druck reduziert wird. Dadurch ist der tatsächliche oder Ist-Druck des Trennfluids geringer als der Ist-Druck des Prozeßfluids. Dieser Fehlerbeitrag kann reduziert werden, indem eine Membran und ein Sensor so konstruiert werden, daß über den zu messenden Druckbereich nur eine relativ geringe Membranbewegung stattfindet. Zweitens ist es wünschenswert, eine Trennmembran zu verwenden, bei der der durch die Membranverstellung erzeugte Druckfehler kleiner ist als die maximale Empfindlichkeit des Drucksensors. Beispielsweise wird eine Sensoreinheit mit einer Trennmembran aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von einem Zoll und einer Dicke von 1 Milli-Inch (Mil) einen Druckfehler von 0,0001 psi und eine Volumenänderung von 1 × 10^–4 Zoll³ aufweisen. Ein solcher Drucksensor, der durch Hartlöten in der Einheit befestigt werden kann, ist bevorzugt, weil für seinen integralen Durchfluß ein geringeres Ölvolumen erforderlich ist als bei einem durch Draht befestigten Sensor, so daß durch seine Verwendung ein unnötiges Ölvolumen reduziert wird.
Der durch die Kompressibilität des Öls eingeführte Fehler kann durch Minimieren des Ölvolumens reduziert werden, und dadurch, daß die den Hohlraum für das Öl bildenden Wände der Einheit so starr wie möglich ausgebildet werden. Schließlich betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung durch die thermische Volumenausdehnung der Komponenten und die thermische Volumenausdehnung des Trennfluids eingeführte Fehler. Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere ein Wärmeausgleichselement in der Sensoreinheit bereitgestellt, das durch thermische Volumenausdehnung verursachte Maßänderungen kompensiert.
2 zeigt eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer Drucksensoreinheit 14. Die Sensoreinheit 14 ist mit einem Flansch 13 eines Meßwertgebers 10 verbunden. Die Sensoreinheit 14 weist eine Sensorkupplung 42 und ein Einsatzelement 44 mit geringer Wärmeausdehnungszahl auf, das ein erfindungsgemäßes Wärmeausgleichselement bildet. Eine Trennmembran 46 nimmt einen Druck 91 vom Durchlaß oder Kanal 28 auf und definiert einen Membranhohlraum 48 zwischen der Trennmembran 46 und einer im wesentlichen ebenen oder flachen Fläche der Sensorkupplung 42. Die Sensorkupplung 42 weist Belastungsentkopplungsbereiche 50 auf, die bei einer Ausführungsform Bereiche mit einer reduzierten Dicke in der Basis der Kupplung 42 sind, durch die eine Belastungsentkopplung erreicht wird. Das Einsatzelement 44 ist an einer WIG-(Wolfram-Inertgas-)Schweißnaht 54 oder durch andere geeignete Einrichtungen oder Mittel mit der Sensorkupplung 42 verbunden. Der Sensor 16 ist an einer Hartlötverbindung 56 mit einer Abdeckung 80 verbunden. Das Einsatzelement 44 ist durch Hartlöten oder durch ein Klebeverfahren mit der Abdeckung 80 verbunden, die ein Keramikmaterial mit geringer Wärmeausdehnungszahl aufweist. Ein Außenhohlraum 58 des Einsatzelements und ein unterer Hohlraum 60 des Einsatzelements sind zwischen dem Einsatzelement 44 und der Sensorkupplung 42 ausgebildet. Ein Innenhohlraum 62 des Einsatzelements ist zwischen dem Einsatzelement 44 und dem Drucksensor 16 ausgebildet. Ein Durchlaß 64 verbindet die Hohlräume 58, 60 und 62 mit dem Hohlraum 48, wodurch ein Sensorhohlraum 82 gebildet wird, der mit einem inkompressiblen Trennfluid, z. B. mit einem Öl, gefüllt wird, so daß der auf die Membran 46 ausgeübte Druck zum Drucksensor 16 übertragen wird.
3 zeigt eine Explosionsansicht der Drucksensoreinheit 14. Die keramikähnliche Abdeckung 80 dichtet oder verschließt den Drucksensor 16 (in 3 nicht dargestellt). Die Abdeckung 80 ist mit dem Einsatzelement 44 verbunden, in dem der Sensorhohlraum 82 ausgebildet ist und das zum Aufnehmen des Sensors 16 geeignet ist. Das Einsatzelement 44 wird in der Kupplung 42 aufgenommen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform hat die Trennmembran 42 einen Durchmesser von 1 Zoll, und der Hohlraum 48 ist 0,005 Zoll tief, um einen Überdruckschutz bereitzustellen, wenn er mit Öl gefüllt ist. Der Durchlaß 64 hat einen Durchmesser von 0,020 Zoll und eine Länge von 0,200 Zoll. Der Querschnitt des Sensors 16 kann rechteckig sein, und zwischen dem Sensor 16 und dem Einsatzelement 44 ist ein Zwischenraum von 0,008 Zoll vorgesehen, durch den der Innenhohlraum 62 des Einsatzelements gebildet wird. Der Zwischenraum, durch den der Hohlraum 60 gebildet wird, beträgt 0,005 Zoll, und der Zwischenraum, durch den der Außenhohlraum 58 des Einsatzelements gebildet wird, beträgt 0,0015 Zoll. Die Sensorkupplung 42 und das Einsatzelement 44 sind zylinderförmig. Die Sensorkupplung 42 kann aus rostfreiem Stahl des Typs 316 hergestellt sein, und das Einsatzelement 44 mit geringer Wärmeausdehnungszahl besteht aus einem Material, das einen geringeren thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten aufweist als der rostfreie Stahl, wie beispielsweise aus eifern Keramikmaterial, z. B. Cordierit, das von Superior Technical Ceramics, St. Albans, Vermont oder Coors Ceramics Company, Golden, Colorado, erhältlich ist. Der thermische Volumenausdehnungskoeffizient von Cordierit beträgt 2,1 × 10^–6 Zoll/Zoll°C. Der Außenhohlraum 58 des Einsatzelements wird durch einen ringförmigen Zwischenraum mit einem Volumen gebildet, das mit der Temperatur zunimmt, um die thermische Volumenausdehnung des eingefüllten Fluids oder anderer Komponenten der Einheit 14 zu kompensieren.
Eine Analyse dieser Struktur zeigt, daß die Volumenänderung des Hohlraum- und Fluidsystems über einen Temperaturbereich von –4°C bis 52°C 2,23 × 10^–5 Zoll³ beträgt. Daher bleibt der Druck über dem Druck relativ konstant, weil die Sensorkupplung sich mit einer größeren Rate ausdehnt als das Cordierit, wodurch veranlaßt wird, daß der Zwischenraum 58 sich ausdehnt und die Ausdehnung oder Expansion des Öl-Füllfluids kompensiert wird.
Die hierin beschriebenen besonderen Ausführungsformen sind einfach bevorzugte Ausführungsformen, und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden. Die Erfindung weist das Plazieren eines Wärmeausgleichselements in einem Trennfluid auf, das verwendet wird, um einen Drucksensor mit einem zu erfassenden Druck zu koppeln. Das Wärmeausgleichselement wird so ausgewählt, daß es sich geeignet mit einer Rate ausdehnt oder zusammenzieht, die so ausgewählt ist, daß thermische Volumen- oder Raumänderungen in Komponenten des Trennfluids oder anderer Elemente der Sensoreinheit kompensiert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gesamtvolumen des Trennfluids reduziert, und es wird ein Drucksensor verwendet, der sich unter Druck nicht wesentlich verformt. Die Erfindung kann mit einem beliebigen Drucksensortyp zum Messen eines statischen Drucks, eines Manometerdrucks, eines Differenzdrucks, usw., oder anderer, mit einem Druck in Beziehung stehender Parameter, z. B. zum Messen eines Durchflusses, eines Pegels oder einer Höhe, usw., oder von Parametern verwendet werden, die durch die Ausdehnung von Komponenten beeinflußt werden. Die Erfindung ist insbesondere geeignet zur Verwendung in Prozeßsteuerungsinstrumenten, z. B. in Meßwertgebern, in denen das zu erfassende Prozeßfluid korrodierend oder kontaminiert ist, was zu einer Schädigung des Drucksensors führen kann. Außerdem beziehen sich die besonderen Maße, Volumen, Formen usw. lediglich auf eine bevorzugte Konstruktion und können für Präzisions- oder andere Konstruktionseinschränkungen geeignet modifiziert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, daß innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung Änderungen in der Form oder Struktur und im Detail vorgenommen werden können.

Claims

Meßwertgeber zum Bereitstellen eines einen Druck eines Prozeßfluids anzeigenden Ausgangssignals mit: einem Meßwertgebergehäuse; einer im Meßwertgebergehäuse angeordneten Meßwertgeberschaltung zum Bereitstellen des Ausgangssignals als Antwort auf ein Sensorausgangssignal; einer mit dem Meßwertgebergehäuse verbundenen Sensorkupplung zum Definieren eines Sensorhohlraums mit einem Hohlraumvolumen, das mit einem Trennfluid gefüllt ist, wobei die Sensorkupplung einen ersten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten aufweist; einer mit der Sensorkupplung verbundenen Trennmembran, durch die der Sensorkörper definiert wird, wobei die Trennmembran dazu geeignet ist, den Druck mit dem Trennfluid zu koppeln; einem im Sensorhohlraum angeordneten und mit dem Trennfluid gekoppelten Drucksensor, wobei der Drucksensor das Sensorausgangssignal der Meßwertgeberschaltung zuführt; und einem mit dem Hohlraum verbundenen Wärmeausgleichselement mit einem zweiten thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten zum Kompensieren von durch die thermische Volumenausdehnung der Sensorkupplung verursachten Änderungen des Hohlraumvolumens.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Wärmeausgleichselement im durch die Sensorkupplung definierten Sensorhohlraum gehalten wird.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Wärmeausgleichselement einen Hohlraum aufweist und der Drucksensor im Hohlraum gehalten wird.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Wärmeausgleichselement Cordierit aufweist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei der zweite thermische Volumenausdehnungskoeffizient kleiner ist als der erste thermische Volumenausdehnungskoeffizient.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Wärmeausgleichselement in der Sensorkupplung eingepaßt ist und das Hohlraumvolumen einen zwischen der Sensorkupplung und dem Wärmeausgleichselement gebildeten Außenhohlraum aufweist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor im Wärmeausgleichselement gehalten wird und das Hohlraumvolumen einen zwischen dem Wärmeausgleichselement und dem Drucksensor definierten Innenhohlraum aufweist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal der Meßwertgeberschaltung ein 4~20-mA-Signal ist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei das Ausgangssignal ein digitales Signal ist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor Saphir aufweist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein an einem Ende mit der Sensorkupplung verbundenes längliches Element aufweist.
Meßwertgeber nach Anspruch 1, wobei die Sensorkupplung einen Bereich mit verminderter Dicke aufweist, um eine Belastungsentkopplung für den Drucksensor bereitzustellen.