DE69417247T2 - Drucküberträger mit isoliermembran - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmeßwertgeber. Insbesondere betrifft sie eine Isolationsmembran in einem Druckmeßwertgeber.
• Druckmeßwertgeber haben einen Drucksensor, der mit einer Isolationsmembran gekoppelt ist. Die Isolationsmembran isoliert den Drucksensor von korrosiven Prozeßfluiden, die erfaßt werden sollen. Der Druck wird von der Isolationsmembran auf den Sensor durch ein im wesentlichen inkompreßibles Isolationsfluid übertragen, das sich in einem Durchgangsweg befindet. Die U.S.-Patente Nr. 4,833,922 mit dem Titel MODULARER DRUCKMESSWERTGEBER und Nr. 5,094,109 mit dem Titel DRUCKMESSWERTGEBER MIT BELASTUNGSISOLIERENDER VERTIEFUNG zeigen Druckmeßwertgeber dieses Typs.
• Da die Isolationsmembran dem Prozeßfluid ausgesetzt ist, ist sie korrosiven Materialien ausgesetzt, die ihre Struktur beschädigen können. Saphir- und Keramikmaterialien sind für Isolationsmembranen wegen ihrer Unempfindlichkeit und ihrer Korrosionswiderstandsfähigkeit gut geeignet. Belastungen bzw. Spannungen, die angelegt sind, um die Membran abzudichten, die aus diesen Materialien gefertigt ist, neigen jedoch dazu, die Steifigkeit der Membran zu ändern oder Fehler auszubilden und zu verursachen. Weiterhin sind Membranen, die aus diesem Materialien bestehen, nicht dazu in der Lage, eine ausreichende Fluidmenge zu bewegen, um genaue Druckmessungen zu erhalten. Eine praktische Abdichtung, die nicht der Korrosion unterliegt, ist nicht verfügbar.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung ist ein Meßwertgeber zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das den Druck des Prozeßfluids angibt, wie in dem Anspruch 1 definiert ist. Der Meßwertgeber enthält einen ersten Durchgangsweg, der mit Isolationsfluid gefüllt ist, das sich von einem ersten Anschluß oder Einlaß zu einer Erfassungseinrichtung erstreckt, und einen zweiten Durchgangskanal zum Aufnehmen von Prozeßfluid, der einen zweiten Anschluß hat. Eine Isolationsmembran trennt den ersten Anschluß von dem zweiten Anschluß und isoliert das Prozeßfluid von dem Isolationsfluid. Die Isolationsmembran besteht aus einem spröden korrosionsbeständigen Material. Eine Abdichtung, die an der Membran anliegt, koppelt die Membran mit dem Prozeßfluiddruck. Die Abdichtung wird durch eine im wesentlichen ebene Feder gehalten, die nicht der Korrosion unterliegt. Weiterhin ist eine Membrananordnung, die die Membran hält, in einer belastungsisolierenden Anbringung angebracht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine teilweise Querschnittsansicht eines Druckmeßwertgebers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Isolationsmembran, die in der Fig. 1 gezeigt ist.
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Abdichtung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Die Fig. 1 zeigt einen Druckmeßwertgeber 10, der einen Meßwertgeberkörper 12, einen Flansch 13 und einen Sensorkörper 14 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat. Der Sensorkörper 14 enthält einen Drucksensor 16 und der Meßwertgeberkörper 12 enthält einen Meßwertgeberschaltkreis 20. Der Sensorschaltkreis 18 ist mit dem Meßwertgeberschaltkreis 20 durch einen Kommunikationsbus 22 gekoppelt. Der Meßwertgeberschaltkreis 20 sendet Informationen, die den Druck des Prozeßfluids betreffen, über eine Zweileitungs-Kommunikationsschaltung.
• Der Sensorkörper 14 enthält Isolatorbaugruppen 24 und 26 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Baugruppe 24 ist in größerem Detail in der Fig. 2 gezeigt. Der Drucksensor 16 mißt eine Differenz im Druck zwischen dem Druck P1 in dem Durchgangsweg 28 und dem Druck P2 im Durchgangsweg 30 des Flansches 13. Der Druck P1 ist mit dem Sensor 16 durch einen Durchgangsweg 32 über die Isolatorbaugruppe 24 gekoppelt. Der Druck P2 ist mit dem Sensor 16 durch den Durchgangsweg 34 über die Isolatorbaugruppe 26 gekoppelt. Der Durchgangsweg 32 erstreckt sich durch die Kopplung 36 und das Rohr 40. Der Durchgangsweg 34 erstreckt sich durch die Kopplung 38 und das Rohr 42. Die Durchgangswege 32 und 34 sind mit relativ inkompressiblem Fluid, z. B. Öl, gefüllt. Die Kopplungen 36 und 38 sind in den Sensorkörper 14 eingeschraubt und erzeugen einen langen eine Flamme löschenden Weg zwischen dem Inneren des Sensorkörpers, der den Sensorschaltkreis 18 trägt, und dem Prozeßfluid, das in den Durchgangswegen 28 und 30 enthalten ist.
• Die Isolatorbaugruppe 24 enthält einen Sitz 44, der vorzugsweise mit der Isolationsmembran 46 schmelz-verbunden ist. Dies ist in der Fig. 2 im größeren Detail gezeigt. Der Sitz 44 und die Membran 46 bestehen aus Saphir in einer Ausführungsform und aus Keramik in einer weiteren Ausführungsform. Der Durchgangsweg 32 erstreckt sich durch den Sitz 44 zu der Membran 46. Eine Abdichtung 48 aus Polytetrafluoroethylen (PTFE) liegt zwischen der Membran 46 und dem Flansch 13. Keramikfedern 50 und 52 sind in der PTFE- Abdichtung 48 angeordnet und durch das Abstandsstück 54 beabstandet. Das Abstandsstück 54 enthält einen horizontalen Durchgang, um dem Fluid eine Kommunikation mit beiden Seiten der Federn 50 und 52 zu ermöglichen. Der Durchgangsweg 55 erstreckt sich zwischen dem Durchgangsweg 28 und der Keramik-Membran 46. Der Sitz 44 ist von dem Sensorkörper 14 durch eine Beilagscheibe 56 und einen Silikongummi 58 getrennt.
• Die Isolatorbaugruppe 26 enthält einen Sitz 60, der vorzugsweise an der Isolationsmembran 62 schmelz-verbunden ist. Die PTFE-Abdichtung 64 trennt die Membran 62 vom Flansch 13. Keramikfedern 66 und 68 sind innerhalb der PTFE-Abdichtung 64 enthalten und durch ein Abstandsstück 70 getrennt, das typischerweise aus Keramik besteht. Ein Durchgangsweg 71 erstreckt sich durch das Abstandsstück 70 und die Keramikfedern 66 und 68, wodurch eine Fluidkommunikation zwischen der Membran 62 und dem Durchgangsweg 30 bereitgestellt wird. Eine Beilagscheibe 72 und eine Silikongummi 74 trennen den Sitz 60 vom Sensorkörper 14.
• Es ist erwünscht, eine Keramik- oder Saphir-Membran zu verwenden, da sie nicht mit Prozeßfluid reagiert. Weiterhin neigen spröde Materialien wie diese zu einer verminderten Hysterese, was eine verbesserte Genauigkeit bereitstellt. Ein Hauptproblem bei dieser Konstruktion besteht jedoch darin, eine angemessene Belastungsisolation derart bereitzustellen, daß Verbindungs- und Abdichtbelastungen die Steifigkeit oder Form der Membran nicht ändern und keine Fehler verursachen. Die Erfindung löst diese Probleme durch Minimieren der Abdichtbelastungen unter Verwendung einer federbelasteten PTFE-Abdichtung, die Berührungsabdichtungskräfte an der Isolationsmembran minimiert, und durch Vorsehen einer Belastungsisolation gegenüber den Verbindungskräften bzw. Verschraubungskräften, die notwendig sind, um Leitungsdrücke von bis zu 6000 psi einzuschließen. Für eine optimale Korrosionswiderstandsfähigkeit verwendet die Erfindung eine korrosionswiderstandsfähige Feder.
• Ein spröder Isolator hat ein größeres Dicke-zu-Durchmesser- Verhältnis und einen höheren Modul als eine typische Metallmembran des Stands der Technik. Dies verursacht, daß die spröde Membran steifer als eine Metallmembran ist. Eine Lösung besteht darin, eine gewellte Membran zu verwenden. Dies ist jedoch nicht für eine spröde Membran unter Verwendung der gegenwärtigen Technologie möglich. Ein spröder Isolator erfordert eine Belastungsisolation oder Spannungsisolation, die nicht im Stand der Technik gelehrt wird.
• Die Isolatorbaugruppen 24 und 26 sind gegenüber einem Sensormodul 14 durch Silikongummidichtungen 58 und 74 isoliert. Dies reduziert die Belastung auf die Baugruppen 24 und 26, da die feste Verbindung mit dem Modul 14 nur um die Kopplungen 36 und 38 und die Beilagscheiben 56 und 72 herum besteht. Weiterhin sind die Baugruppen 24 und 26 gegenüber dem Flansch 13 durch Dichtungen 48 und 64 isoliert. In einer Ausführungsform bestehen diese Dichtungen aus PFTE wegen dessen Abdichteigenschaften und dessen Korrosionswiderstandsfähigkeit.
• PTFE ist zu "kaltem Fluß" fähig. Mit der Zeit tendiert PTFE dazu, seine Form in Reaktion auf den angelegten Druck zu ändern. Eine Lösung besteht darin, eine schraubenförmige Metallfeder in den PTFE-Abdichtungen 48 und 64 aus korrosionsbeständigem Metall vorzusehen. Die Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Abdichtung 48 unter Verwendung einer Schraubenfeder 80. In Alternative kann die Feder aus einem Keramikmaterial mit besserer Korrosionsbeständigkeit bestehen. Die Feder sollte eine ausreichende Auslenkung be reitstellen, um Toleranzen in den Teilen einhalten zu können, und sollte eine Verformung des PTFEs ausgleichen, die mit der Zeit auftritt.
• Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Bereitstellen einer Feder in einer Abdichtung bereit, die aus einem Material hergestellt ist, das elastisch und korrosionsbeständig ist, wie z. B. PTFE. Keramikfedern 50 und 52 zwingen die PTFE-Abdichtung 48 dazu, ihre Form beizubehalten. (Obwohl die Membranbaugruppe 24 hier erläutert wird, gilt die gleiche Erläuterung auch für die Membranbaugruppe 26.) Der Durchgangsweg 55 durch die Federn 52 und 50 und das Abstandsstück 54 ermöglicht Prozeßfluid, di e Membran 46 auszulenken und Druck P1 vom Durchgangsweg 28 zum Durchgangsweg 32 zur Messung durch den Drucksensor 16 und den Sensorschaltkreis 18 zu übertragen. Die Keramikfedern 50 und 52 ermöglichen eine ausreichende Auslenkung, um Toleranzen in den Teilen, die abgedichtet werden sollen, aufzunehmen und um eine Verformung des PTFEs, die mit der Zeit auftritt, auszugleichen. Die Federn legen auch eine ausreichende Kraft an, um das PTFE zu veranlassen, in Unebenheiten in den abzudichtenden Oberflächen einzufließen.
• Die Energiemenge, die durch die Feder gespeichert werden kann, ist gegeben durch die Formel:
• wobei EFeder die Energie ist, die in der Feder gespeichert ist, σmax die maximale Arbeitsspannung des Materials ist, E der Elastizitätsmodul und V das Volumen des Materials ist. Keramik und andere spröde Materialien neigen dazu, ein niedrigeres σmax und einen höheren E als Metalle aufzuweisen. Dies verursacht, daß σmax/E zwischen 10 bis 50 mal niedriger für spröde Materialien als für Metallmaterialien ist. Um dies auszugleichen, verwendet die vorliegende Erfindung eine Feder mit einem Volumen, das zwischen dem 10 und 50 fachen größer als eine entsprechende Metallfeder ist. Die Erfindung erreicht dies, indem die Feder über die Kanten der PTFE-Abdichtung hinaus erstreckt werden. Zusätzlich zu Problemen bezüglich ihrer Energiespeicherkapazität ist es auch schwierig, Miniaturspulen aus Keramik und anderen spröden Materialien auszubilden. Eine Vielzahl von Keramikfedern kann in einem Stapel angeordnet werden, um jede gewünschte Federkonstante zu erhalten. Löcher in der Feder ermöglichen, daß Prozeßfluid zu der Isolationsmembran gelangt. Wenn ein Keramikmaterial für die Ausformung der Membranen 46 und 62 verwendet wird, berührt Prozeßfluid keine korrodierbaren Materialien in den Isolatorbaugruppen 24 und 26.
• Eine spröde Isolatorbaugruppe neigt zu Steifigkeit. Jede Änderung der Steifigkeit verursacht einen Fehler in der Druckmessung. Um Änderungen der Steifigkeit zu minimieren, umgibt die Erfindung die Isolatorbaugruppe mit einem Prozeßfluid-Druck. Dies wird ausgeführt unter Verwendung einer Elastomer-Lagerung (Silikongummi), die eine hydrostatische Kraft ungefähr gleich zu dem Druck des Prozeßfluids entwickelt. Die Elastomer-Lagerung sollte dünn genug sein, so daß sie nicht zu stark herausgedrückt wird oder sich mit Temperaturänderungen ausdehnt. Dies könnte die Kapazität der Feder überschreiten.
• Die Erfindung verwendet auch ein Schmelzbonden und kein Hartlötmaterial, um die Membran zu verbinden. Die Schmelzbondung unterliegt keiner Korrosion und keiner Verformung.
• Die Membranen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise in Drucksensoren verwendet, die einen geringen Versatz des Isolationsfluids erfordern und ein niedriges Volumen haben, um die Gesamtausdehnung des Fluids zu minimieren, um eine Druckmessung zu erhalten. Ein Sensor, der einen reduzierten Versatz des Isolationsfluids bereitstellt, ist in der Patentanmeldung beschrieben, die den Titel DRUCKSENSOR MIT AUFGEHÄNGTER MEMBRAN hat, Seriennummer 08/123,729, eingereicht am 20. September 1993 von Roger L. Frick, veröffentlicht als US-A-5,483,834 am 16. Januar 1996.
• Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für Fachleute ersichtlich, daß Änderungen in der Form und im Detail durchgeführt werden können, ohne daß vom Bereich der Erfindung, wie sie beansprucht wird, abgewichen wird. Zum Beispiel können andere Materialien für die Federn, z. B. Saphir, verwendet werden.

Claims (12)

1. Meßwertgeber (10) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen Druck eines Prozeßfluids angibt, der aufweist:

einen Körper (12, 14), der einen ersten Durchgangsweg (32), der mit einem Isolationsfluid gefüllt ist, das sich von einem ersten Anschluß zu einer Erfassungseinrichtung (16) zum Erzeugen eines den Druck betreffenden Ausgangssignals erstreckt, und einen zweiten Durchgangsweg (28) hat, der das Prozeßfluid leitet;

eine Isolatorbaugruppe (24), die den ersten Durchgangsweg (32) gegenüber dem zweiten Durchgangsweg (28) trennt und verhindert, daß Prozeßfluid in den ersten Durchgangsweg eintritt, wobei die Isolatorbaugruppe eine Isolationsmembran (46) aufweist, die aus einem spröden, korrosionswiderstandsfähigen Material ausgebildet ist;

eine Abdichteinrichtung (48) zum Abdichten der Membran (46) und zum Koppeln des Prozeßfluid- Drucks mit der Membran; und

eine belastungsisolierende Anbringung (58), die die Isolatorbaugruppe (24) mit dem Körper (12, 14) koppelt.

2. Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Abdichteinrichtung (48) PTFE aufweist.

3. Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der eine erste langgestreckte, an die Abdichteinrichtung anstoßende Feder (50) zum Drängen der Abdichteinrichtung (48) gegen die Membran (46) enthält.

4. Meßwertgeber nach Anspruch 3, worin die erste Feder (50) eine Keramik aufweist.

5. Meßwertgeber nach Anspruch 3, worin die erste Feder (50) Saphir aufweist.

6. Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 3 bis 5, der eine zweite langgestreckte Feder (52) enthält, die an der ersten Feder (50) anstößt und in Zusammenwirken mit der ersten Feder (50) arbeitet.

7. Meßwertgeber nach Anspruch 6, der ein Abstandsstück (54) zwischen der ersten Feder (50) und der zweiten Feder (52) enthält.

8. Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der eine Schraubenfeder (80) enthält, die an die Abdichteinrichtung (48) anstößt.

9. Meßwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die belastungsisolierende bzw. spannungsisolierende Anbringung eine Elastomerschicht (58) zwischen der Membranbaugruppe (24) und dem Körper (12, 14) enthält.

10. Meßwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Isolationsmembran (46) in der Isolatorbaugruppe (24) im wesentlichen bei einem Druck des Prozeßfluids getragen wird.

11. Meßwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Isolationsmembran (46) Keramik aufweist.

12. Meßwertgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Isolationsmembran (46) Saphir aufweist.