DE3422945C2

DE3422945C2 - Sensor

Info

Publication number: DE3422945C2
Application number: DE3422945A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7860 Schopfheim Geiger; Walter Dipl.-Phys. Dr. 7853 Steinen Kästel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1984-06-20
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1986-04-24
Also published as: GB2160651A; DE3422945A1; SE8502941D0; FR2566529B1; JPS6182133A; SE454214B; CH668482A5; JPH0445062B2; FR2566529A1; IT1185100B; GB8515185D0; SE8502941L; US4640135A; NL8501598A; IT8521152A0; GB2160651B

Description

ne die Gefahr von LufteinschMissen möglich ist

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sensors dieser Art, der eine sehr einfache, auch unter schwierigen Einbaubedingungen gut zugängliche Einrichtung zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit mit einer einwandfreien Kraft- oder Wegübertragung zu einem Kraft- oder Wegsensor vereinigt

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 geltet.

Be: dem Sensor nach der Erfindung ist das zwischen der Membran und dem Kraft- oder Wegsensor angeordnete kraft- oder ,vegübertragende Glied zugleich als Einfüllstutzen für die Hydraulikflüssigkeit ausgebildet Die Funktion und Festigkeit der Meßmembran wird dadurch nicht beeinträchtigt Da die den Einfüllstutzen bildende Kanüle an der Meßme-mbran angebracht ist liegt sie auf der dem Meßmedium abgewandten Seite des Drucksensors, wo sie gut zugänglich und gegen die Einwirkung des Meßmediums geschützt ist Die Einrichtung zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit ist auch sehr einfach und billig, da sie keine mechanische Bearbeitung des Gehäuses und keine aufwendigen Verschlußglieder erfordert

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteraasprüchen gekennzeichnet

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Drucksensor nach der Erfindung und

Fig.2 die beiden Hauptbestandteile des Drucksensors von F i g. 1 vor dem Zusammenbau.

Die Zeichnung zeigt als Beispiel einen Drucksensor 10, dessen Gehäuse als Einschraubstück 11 ausgebildet ist. Der untere, zylindrische Teil des Einschraubstücks 11 ist mit einem Außengewinde 12 versehen, mit dem das Einschraubstück 11 in eine Gewindeöffnung in der Wand eines Behälters eingeschraubt werden kann, in dem sich das Meßmedium befindet, dessen Druck mittels des Druoksensors gemessen werden soll. Der obere Teil des Einschraubstücks 11 ist als Sechskant 13 zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels ausgebildet Die Angaben »unten« und »oben« beziehen sich nur auf die Darstellung in der Zeichnung; der Drucksensor kann in jeder beliebigen Lage eingebaut werden, wobei in jedem Fall der Sechskant 13 außerhalb des Behälters liegt und die untere Stirnfläche des Einschraubstücks 11 dem Behälterinneren zugewandt ist.

Im Einschraubstück 11 ist eine axial durchgehende zentrale Ausnehmung K gebildet, die aus drei Abschnitten 15,16 und 17 unterschiedlichen Durchmessers besteht (Fig.2). Der obere Abschnitt 15 ist zylindrisch mit glatter Umfangswand und erstreckt sich von der oberen Stirnfläche über mehr als ein Drittel der Höhe des Einschraubstücks 11 und somit über mehr als die Hälfte der Höhe des Sechskantabschnitts 13. Daran schließt sich der zylindrische Abschnitt 16 an, der einen etwas größeren Durchmesser hat, so daß zwischen den Abschnitten 15 und 16 eine ringförmige Schulter 18 besteht. Die Umfangswand des Abschnitts 16 ist mit einem Innengewinde 19 versehen. Der Abschnitt 16 hat eine etwas größere axiale Ausdehnung als der Abschnitt 15, so daß er sich annähernd bis zur Höhe der Mitte des Gewindes 12 erstreckt. Der untere Abschnitt 17 der Ausnehmung 14, der den restlichen Teil des Einschraub-Stücks 11 bis zu dessen unterer Stirnfläche einnimmt, hat eine wesentlich geringerj Höhe als jeder der Abschnitte 15 und 16, aber einen beträchtlich größeren Durchmesser als der Abschnitt 16, so daß zwischen den beiden Abschnitten 16 und 17 eine verhältnismäßig breite ringförmige Schulter 20 besteht.

In das Innengewinde 19 des mittleren Abschnitts 16 ist ein Einsatz 21 eingeschraubt der im wesentlichen die Abschnife 16 und 17 der Ausnehmung 14 einnimmt und den von der Ausnehmung 14 gebildeten Durchlaß durch das Einschraubstück 11 druckdicht verschließt Der Einsatz 21 besteht im wesentlichen aus einer Schraubfassung 22 und einer in die Schraubfassung 22 eingeschraubten Ölvorlage 23. Die Schraubfassung 22 hat eine zylindrische Umfangswand 24 und eine diametrale Trennwand 25, die den hohlen Innenraum der Schraubfassung in zwei ungleiche Abschnitte unterteilt Eine zylindrische Bohrung 26 durchsetzt die Trennwand 25 koaxial zur Achse der Schraubfassung 2Z An der Unterseite der Trennwand 25 ist koaxial zur Bohrung 26 eine flache zylindrische Ausnehmung 27 gebildet die in der Mitte eine zylindrische Vertiefung 28 aufweist. Der Durchmesser der Ausnehmung 27 irr ίο groß, daß nur eine ringförmige Schulter 29 geringer Breite rings um den Rand der Unterseite der Trennwand 25 verläuft Die sich von der Schulter 29 nach unten erstreckende Innenfläche der Umfangswand 24 der Schraubfassung 22 ist mi' einem Innengewinde 30 versehen. Die Außenfläche der Umfangswand 24 ist über ihre ganze Höhe mit einem in das Innengewinde 19 des Abschnitts 16 einschraubbaren Außengewinde 31 versehen.

Die Ölvorlage 23 besteht im wesentlichen aus zwei gewellten Membranen 32 und 33 und einem dazwischen angeordneten Zwischenkörper 34. Der Zwischenkörper 34 ist ein massives Metallteil, das zwei zylindrische Abschnitte 35 und 36 unterschiedlichen Durchmessers aufweist Der untere zylindrische Abschnitt 35 des Zwischenkörpers 34 ist nach Umfang und Höhe genau in den untersten Abschnitt 17 der zentralen Ausnehmung 14 eingepaßt Der sich nach oben anschließende zylindrische Abschnitt 35 von kleinerem Durchmesser hat ein Außengewinde 37, das in das Innengewinde 30 der Schraubfassung 22 einschraubbar ist.

A -i der dem Inneren des Behälters zugewandten unteren Stirnfläche des Zwischenkörpers 34 ist eine flache Ausnehmung 38 gebildet Die gewellt·; Membran 32 ist in der flachen Ausnehmung 38 angeordnet unu am Rand der Ausnehmung druckdicht mit dem Zwischenkörper 34 verschweißt. Die Ausnehmung 38 ist der Form der gewellten Membran 33 angepaßt, so daß an allen Stellen nur ein enger Zwischenraum 39 zwischen der Membran 33 und dem Boden der flachen Ausnehmung 38 besteht.

Rings um den Umfang der gegenüberliegenden, der Schraubfassung 22 zugewandten Stirnfläche des Zwischenkörpers 34 ist eine schmale ringförmige Schulter 40 angeformt, die der Schulter 29 gegenüberliegt und eine flache zylindrische Ausnehmung 41 umgibt. In der Mitte der Ausnehm-ng 40 ist eine zylindrische Vertiefung 42 gebildet, die der Vertiefung 28 gegenüberliegt und etwa den gleichen Durchmesser wie diese hat. Durch den Zwischenkörper 34 geht ein axialer Kanal 43, der die Verbindung zwischen der flachen Ausnehmung 38 an der Unterseite und der Vertiefung 42 an der Oberseite des Zwischenkörpers herstellt.

Der Rand der gewellten Membran 33 liigt zwischen der Schulter 29 der Schraubfassung 22 und der Schulter 40 des Zwischenkörpers 34 und ist durch das Verschrau-

h5 ben der beiden Teile druckdicht eingespannt. Die Wellungen der Membran 33 liegen in dem von den flachen Ausnehmungen 27 und 4) gebildeten Hohlraum, der für die Aufnahme der Hubbewegungen der Membran aus-

reichend groß bemessen ist. Die Ausnehmungen 27 und

41 können auch der Form der Membran 33 angepaßt sein, wie dies bei der Ausnehmung 38 an der Unterseite des Zwischenkörpers 34 der Fall ist. Auf jeden Fall besteht zwischen der Membran 33 und dem Boden der flachen Ausnehmung 41 nur ein enger Zwischenraum 44, der über den axialen Kanal 43 mit dem Zwischenraum 39 an der Unterseile des Zwischenkörpers 34 verbunden ist.

Im Mittelpunkt der Membran 33 ist eine kreisrunde öffnung 45 angebracht, durch die eine Kanüle 46 gesteckt ist. Die Kanüle 46 ist durch ein Metallröhrchen gebildet, an dessen unterem Ende ein scheibenförmiger Bund 47 angeformt ist. Im zusammengebauten Zustand liegt der Bund 47 in der Vertiefung 42 des Zwischenkörpers 34, die er nahezu ausfüllt, so daß nur ein schmaler Zwischenraum 48 zwischen den Wänden der Vertiefung

42 und dem scheibenförmigen Bund 47 besteht. Die Gberseiie des Sundes 47 ist an der Unierseiie des ebenen, nichtgewellten inneren ringförmigen Bereichs der Membran 33, dem sogenannten »Auge« angeklebt. Ein von oben über die Kanüle 46 geschobener Ring 49 ist an der gegenüberliegenden Seite der Membran 32 angeklebt. Im zusammengebauten Zustand wird der Ring 49 von der Vertiefung 28 in der Trennwand 25 aufgcnommen. In Verbindung mit einer präzisen Bearbeitung der Außenfläche der Kanüle 46, die mit sehr enger Passung

in der öffnung 45 der Membran 33 sitzt, ergibt sich dadurch eine sehr sichere und vollkommen druckdichte Befestigung der Kanüle 46 an der Membran 33. Durch den Bund 47 und den gegenüberliegenden Ring 49 erhält der zentrale Teil der Membran, das sogenannte »Auge«, eine Versteifung, so daß es schon deshalb nicht mehr zum elastischen Teil der Membran gehört.

Die Kanüle 46 ist durch die Bohrung 26 der Trennwand 25 geführt und so lang, daß sie über die Schraubfassung 22 hinaus bis in den obersten Abschnitt 15 der zentralen Ausnehmung 14 ragt, wenn der Drucksensor 10 zusammengebaut ist (Fig. I). Das obere Ende der Kanüle 46 ist durch Zusammenquetschen druckdicht verschlossen.

Das von den beiden Membranen 32 und 33, dem Zwischenkörper 34 und der Kanüle 46 umschlossene Volumen ist vollständig mit einer inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit 50 gefüllt. Die Hydraulikflüssigkeit 50 dient zur Druckübertragung zwischen den beiden Membranen 32 und 33. Die Membran 32 steht mit dem im Behälter befindlichen Meßmedium in Kontakt, dessen Druck gemessen werden soll. Der von dem Meßmedium auf die Membran 32 ausgeübte Druck wird durch die Hydraulikflüssigkeit 50 auf die Membran 33 übertragen. Die Membran 33 ist über die Kanüle 46 mit einem (nicht dargestellten) Kraft- oder Wegsensor verbunden, der ein Signal liefert, das entweder der auf die Membran 33 ausgeübten Kraft oder der Auslenkung der Membran 33 proportional ist. Dieses Signal zeigt somit den im Behälter herrschenden Druck an.

Die Hydraulikflüssigkeit 50 kann erst eingefüllt werden, wenn der Einsatz 21 vollständig zusammengebaut ist Das Einfüllen muß so erfolgen, daß keine Luftein-Schlüsse verbleiben. Dies wird durch die Kanüle 46 ermöglicht, die somit die doppelte Funktion eines Einfüllstutzens und eines Kraft- bzw. Weg-Übertragungsgliedes (Stößels) ausübt.

Der Zusammenbau des als Ausführungsbeispie! dargestellten und beschriebenen Drucksensor^ ist besonders einfach und billig durchzuführen. Zunächst werden die beiden Membran-Baugruppen vorbereitet Hierzu wird die Membran 32 in den Zwischenkörper 34 eingelegt und der Rand der Membran 32 am Umfang der flachen Ausnehmung 38 verschweißt. Die Kanüle 46, die am oberen Ende noch offen ist, wird durch die öffnung 45 der Membran 33 gesteckt, und der Bund 47 sowie der Ring 49 werden mit der Membran 33 verklebt. Dann wird die Kanüle 46 durch die Bohrung 26 der Trennwand 25 gesteckt, bis der Rand der Membran 33 an der Schulter 29 anliegt. Anschließend wird das Außengewinde 37 des Zwischenkörpers 34 in das Innengewinde 30 der Schraubfassung 22 eingeschraubt und festgezogen, damit der Rand der Membran 33 druckdicht zwischen den Schultern 29 und 49 eingespannt wird. Nun kann die Hydraulikflüssigkeit 50 durch das offene obere Ende der Kanüle 46 eingefüllt werden, bis das ganze umschlossene Volumen gefüllt ist, das durch die Zwischenräume 39,44 und 48, den axialen Kanal 43 und das hohle Innere der Kanüle 46 gebildet ist. Dies geschieht unier Vakuum. Zunächst wird der Einsatz 21 in einer speziellen Vorrichtung so gehalten, daß das offene Ende der Kanüle 46 oben, also an der höchsten Stelle des umschlossenen Volumens liegt. Dann evakuiert man die Vorrichtung und füllt die Hydraulikflüssigkeit ein. Wenn die Hydraulikflüssigkeit das obere Ende der Kanüle 46 erreicht hat, wird der abgeschlossene Raum geöffnet und die Kanüle 46 druckdicht verschlossen. Dies kann, wie in der Zeichnung dargestellt, durch Quetschen erfolgen. ΟΛ£Γ auch durch Löten, Schweißen, Kleben oder Einsetzen eines Verschlußpfropfens.

Der auf diese Weise gebildete Einsatz 21 wird schließlich mit Hilfe der Gewinde 19 und 31 in das Einschraubstück 11 eingebaut, wodurch der Drucksensor 10 fertiggestellt ist und die in F i g. 1 dargestellte endgültige Form hat.

Die Kanüle 46 liegt an einer geschützten Stelle des Drucksensors und sie wird von dem Meßmedium nicht berührt, so daß sie keiner Korrosionsgefahr aijsgeset7t ist, wenn der Drucksensor zum Messen des Druckes eines korrodierenden Mediums verwendet wird.

Die beschriebene Ausführungsform kann natürlich in verschiedener Weise abgeändert werden. So kann die Kanüle 46 anstatt durch Rieben auch auf andere geeignete Weise druckdicht an der Membran 33 befestigt werden, beispielsweise durch Löten, Schweißen usw.

Die beschriebene Ausbildung des Drucksensors ist natürlich unabhängig von der Form des Gehäuses und der Anzahl der verwendeten Membranen. Sie ist beispielsweise auch bei Differenzdrucksensoren anwendbar, bei denen mehr als zwei Membranen mit der Hydraulikflüssigkeit in dem abgeschlossenen Volumen in Kontakt stehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Sensor mit einem Gehäuse und wenigstens zwei Membranen, die ein mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen einschließen, wobei eine Membran mit einer Öffnung versehen ist und eine Kanüle flüssigkeitsdicht mit dem Rand der Öffnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) als kraft- oder wegübertragendes Glied zur Verbindung der Membran (33) mit einem Kraftoder Wegsensor dient.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (45) in der Mittelzone der Membran (33) angebracht ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) durch ein Metallröhrchen gebildet ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kanüle (46) ein ringfönmger Bund (47) angebracht ist, der mit der Membran (33) dicht verbunden ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Bund (47) entgegengesetzten Seite der Membran (33) ein über die Kanüle (46) geschobener Ring (49) mit der Membran (33) dicht verbunden ist

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) mit der Membran (33) durch Kleben, Löten oder Schweißen verbunden ist.

7. Sense: nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (46) durch Quetschen, Löten oder Schweißen geschlossen ist

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse a!s Einschraubstück (!!} mit einem Gewinde (!2) zum Einschrauben in eine Gewindeöffnung einer Behälterwand ausgebildet ist, daß das Einschraubstück (11) eine axial durchgehende zentrale Ausnehmung (14) aufweist, und daß die beiden Membranen (32,33) mit ihren Rändern in einem Einsatz (21) befestigt sind, der in einem Abschnitt (16,17) der zentralen Ausnehmung (14) so angeordnet ist, daß die Kanüle (46) in den anderen Abschnitt (15) der zentralen Ausnehmung (14) ragt.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen (32. 33) zu beiden Seiten eines Zwischenkörpers (34) angeordnet sind, der flache Ausnehmungen (38,41) aufweist, in denen jeweils eine Membran (32, 33) unter Bildung eines schmalen Zwischenraums (39, 44) druckdicht befestigt ist, und daß die beiden Ausnehmungen (38, 41) durch einen Kanal (43) miteinander verbunden sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Membranen (32) entlang ihrem Rand mit dem Zwischenkörper (34) verschweißt ist.

11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (21) eine Schraubfassung (22) aufweist, in die der Zwischenkörper (34) einschraubbar ist, und daß der Rand der dem Behälter abgewandten Membran (33) zwischen dem Zwischenkörper (34) und der Schraubfassung (22) eingespannt ist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubfassung (22) in das Einschraubstück (11) einschraubbar ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. 1.

Aus der GB-PS 8 40 290 und der US-PS 32 02 063 sind Schutzvorrichtungen für Drucksensoren bekannt, die zwei an den Rändern miteinander verbundene Membranen aufweisen, die ein mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen einschließen. Eine der beiden Membranen ist mit einer Mittelöffnung versehen, deren Rand starr mit einem gehäusefesten Körper verbunden ist, durch den eine Kanüle hindurchgefühlt ist, die das von den Membranen eingeschlossene, mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllte Volumen mit einem auf Hydraulikdruck ansprechenden Meßgerät verbindet. Die Kanüle dient als Leitung für die Hydraulikflüssigkeil, die den zu

is messenden Druck überträgt; sie könnte jedoch gegebenenfalls auch zum Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit in das von den Membranen eingeschlossene Volumen verwendet werden.
Andererseits sind Drucksensoren tekannt, bei denen eine der Membranen, die ein mit einer Hydraulikflüssigkeit gefülltes Volumen einschließen, eine Meßmembran ist, die mit einem Kraft- oder Wegsensor zusammenwirkt, der entweder auf die Auslenkung der Meßmembran oder auf die auf die Meßmembran ausgeübte Druckkraft anspricht Diese Ausbildung ist aus mehreren Gründen vorteilhaft Bei einfachen Drucksensoren steht nur eine der beiden Membraner mit dem Medium in Berührung, dessen Druck gemessen werden soll, während die andere Membran von dem Medium getrennt ist und die Meßme."T<bran bildet Die beiden Membranen können mit unterschiedlicher Querschnittsfläche ausgebildet werden, wodurch eine Kraft- oder Weg-Übersetzung erzielt wird. Bei Differenzdrucksensoren wirken die beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, jeweils auf eine der Membranen ein. In jedem Fall dient die Hydraulikflüssigkeit nur zur Übertragung des zu messenden Drucks zwischen den Membranen. Das mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllte Volumen zwischen den Membranen ist nach außen vo'J:g abgeschlossen; es gibt keine nach außen führende Leitung für die Hydraulikflüssigkeit Die Membranen sind am Rand gehäusefest eingespannt, und zumindest bei der Meßmembran muß der Mittenbereich so ausgebildet sein, daß eine ungehinderte Kraft- oder Wegübertragung zum Kraft- oder Wegsensor möglich ist. Dadurch ergeben sich Probleme für das Einbringen der Hydraulikflüssigkeit in das abgeschlossene Volumen. Bei bekannten Drucksensoren dieser Art erfolgt das Einbringen der Hydraulikflüssigkeit üblicherweise durch einen im Gehäuse angebrachten Einfüllkanal, der nach dem Einfüllen verschlossen wird, beispielsweise mittels Kugel und Schraube, durch eine Expanderdichtung oder auf ähnliche Weise. Diese Lösung ist aufwendig und in vielen Anwendungsfällen nicht anwendbar oder ungünstig, zumal die Ein-

füllstelle höher liegen muß als das höchste ölniveau zwischen den Membranen, damit Lufteinschlüsse vermieden werden. Das Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit muß von der Außenseite des Gehäuses aus erfolgen, also von einer Stelle aus, an der der Drucksensor eingeschraubt, eingepreßt oder auf andere Weise befestigt ist, so daß diese Stelle im eingebauten Zustand nicht mehr erreichbar ist. Ferner steht die Stelle, an welcher der Einfüllkanal angebracht ist, oft mit dem Meßmedium in Verbindung, so daß der Einfüllkanal oder sein Verschluß korosionsgefährdet ist. In vielen Fällen ist es auch gar nicht möglich, einen seitlichen Kanal am Gehäuse des Drucksensors anzubringen oder den Einfüllkanal so anzuordnen, daß das Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit oh-