Vorrichtung zum Messen von Drücken oder Druckdifferenzen von leicht beweglichen Medien
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen von Drücken oder Druckdifferenzen von leicht beweglichen Medien, gekennzeichnet durch einen Hohlkörper, der so ausgebildet ist, dass er durch Zufuhr von Energie in Schwingung versetzbar ist, und das oder die zu untersuchenden Medien sich in an die Innen-oder Aussenseite dieses Hohlkörpers grenzenden Kammern befinden, mit dem Zweck, die natürliche Frequenz des Hohlkörpers zu ändern und dadurch das Ermitteln des Druckes dieses Mediums oder der Druckdifferenz zwischen diesen Medien zu ermöglichen.
Es ist in vielen Fällen sehr wertvolI, eine gemessene Grösse in ein Signal, beispielsweise in ein elektrisches Signal umwandeln zu können, dessen Frequenz von der gemessenen Grösse abhängig ist.
Insbesondere ist dies wichtig, wo das Signal drahtlos oder durch Draht über grössere Distanzen übertragen werden muss, da die Frequenz des Signals durch die Übertragung nicht geändert wird. Dasselbe gilt, wenn das Signal photographisch oder magnetisch registriert werden soll, um später durch Abspielen der Aufnahme reproduziert werden zu können. In diesem Fall bleibt der gemessene Wert unverändert, wenn die Frequenz zusammen mit einer Zeitnormalen gemessen wird, welche gleichzeitig mit dem Messsignal aufgenommen und reproduziert wird. Ein weiterer Vorteil solcher Übertragungsvorrichtungen ist, dass sie die Übertragung der gemessenen Werte an Pulsationszähler in einfacher Weise und mit einer hohen Genauigkeit gestatten, ob diese Werte in analoger Form oder in Zahlform sind.
Unter den bereits bekannten Druckmessinstra- menten arbeiten eine Reihe verschiedener Ausführungen damit, dass sie ein Ausgangssignal vermitteln, dessen Frequenz druckabhängig ist. Beispiele solcher Instrumente sind Obertragungsvorrichtungen mit einem elektrischen Oszillationskreis (mit variabler Induktanz oder Kapazität) und solche, in welchen eine dem Druck unterworfene Membrane auf eine Saite so wirkt, dass sie deren Spannung und natürliche Frequenz ändert. In all diesen Fällen wird der Druck zuerst in eine Verschiebung (beispielsweise einer Membrane) umgewandelt, welche auf ein Abtastorgan (beispielsweise eine Spule, einen Kondensator oder eine Saite) wirkt.
Diese Ubertragungsart birgt Fehlerquellen in sich, welche nur durch eine verhältnismässig komplizierte Konstruktion und durch eine hohe Präzision in der Herstellung vermindert werden können.
Dadurch, dass gemäss vorliegender Erfindung der Druck oder die Druckdifferenz direkt auf ein mechanisches Vibrationssystem so wirken, dass sie dessen natürliche Frequenz ändern, wird ein hoher Genauigkeitsgrad der Messung erzielt.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und
Fig. 2 und 3 verschiedene Formen der Vibra tionskurven des druckempfindlichen Schwingungskörpers der Vorrichtung.
Der Schwingungskörper umfasst einen einenends geschlossenen Hohlzylinder 1, mit einem dünnen Mantel aus magnetischem Material. Am offenen Ende des Zylinders ist ein dicker Ringflansch 2 angeordnet. Im Zylinder befindet sich ein fester Spulenrahmen 3, dessen unterer Teil genau in die Öffnung des Ringflansches 2 passt und mittels eines Gewinderinges 15, der in den Flansch 2 geschraubt ist, eingeklemmt wird. Um den Rahmen 3 ist innerhalb des Zylinders 1 ein geschlossener Raum 4 gebildet.
Das Äussere des Flansches 2 bildet einen Sitz zur Aufnahme eines äussern Gehäuses 5, das durch Schrauben 6, welche sich in Bohrungen des Flansches erstrecken, in Lage gehalten ist. Um den Zylinder herum bildet das äussere Gehäuse somit einen weiteren geschlossenen Raum 7. Der obere Teil des Gehäuses 5 weist eine Gewindebuchse 8 auf, um eine Leitung anzuschliessen, durch welche ein Druckmedium in den Raum 7 geführt werden kann. Eine weitere Gewindebuchse 9 für eine Zuleitung ist im Flansch 2 vorgesehen und steht mit einem Kanal im letzteren in Verbindung, über welchen ein Druckmedium dem Raum 4 zwischen dem Zylinder 1 und dem Rahmen 3 zugeführt werden kann.
Der Rahmen 3 trägt zwei Spulen 10 und 11. Die Spule 10 besitzt einen Weicheisenkern 12, und die Spule 11 ist mit einem permanentmagnetischen Kern 13 versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Spulen rechtwinklig zueinander angeordnet.
Die elektrischen Leiter zu den Spulen werden bei 14 durch den Rahmen eingeführt.
Durch Wechselstromzufuhr zu den Spulen kann der Zylindermantel 1 in eine Reihe verschiedener Formen natürlicher Schwingungen versetzt werden.
Die Fig. 2 und 3 illustrieren beispielsweise zwei solcher Schwingungsformen, wobei die ausgezogenen Linien die Gleichgewichtsstellung des Mantels 1 und die gestrichelten Linien die Endstellungen darstellen.
Diese Schwingungen können gemessen werden, da sie in der Spule 11 eine elektromotorische Kraft induzieren.
Zur Messung eines absoluten Druckes wird das zu prüfende Druckmedium durch eine der Leitungen 8 oder 9 zugeführt, während durch die andere Zuleitung ein Medium bekannten Druckes eingeführt wird. Zur Messung einer Druckdifferenz wird jedes der Druckmedien durch eine der Leitungen eingeführt. Wie ohne weiteres verständlich, wird in beiden Fällen ein Druckmedium auf die innere Fläche des Zylindermantels 1 und das andere auf die äussere Fläche dieses Mantels wirken.
Während der Schwingung der Zylinderwandung ändert sich die Querschnittsfläche des Zylinders und, falls ein Druckunterschied zwischen der innern und äussern Fläche der Zylinderwandung besteht, wird diese Wandung entsprechend der Druckdifferenz Arbeit leisten. Es folgt daraus, dass die Druckdifferenz die natürliche Frequenz des Zylinders beeinflusst.
Wenn f die natürliche Frequenz, A die Amplitude an einem willkürlich gewählten Punkt und dp die Differenz der Drücke im Innern und ausserhalb des Zylinders bezeichnet, so werden die nachstehend aufgeführten Gleichungen bezüglich kinetischer bzw. potentieller Energie erhalten, wenn vorausgesetzt wird, dass die Form der Schwingung von der Druckdifferenz unabhängig ist. K1, K2 und K3 bezeichnen Konstanten, welche vom Material, von den Dimensionen des Zylinders und von der Form der Schwingung abhängig sind.
Die kinetische Energie in der Gleichgewichtsstellung ist: ER = K1 A2 J2.
Die potentielle Energie in den Endstellungen als Folge der elastischen Deformation ist:
E2 = K2X2.
Die potentielle Energie in den Endstellungen als Folge der Arbeit, welche der Druckdifferenz entspricht, ist: Ep = KS A2 IP.
Bei Resonanz ist: ER = ER +Ep und daher: K1 A2 = K2 A- + + K, A-
EMI2.1
Die Frequenz hängt somit von 1,, p ab. Eine ent- sprechende Wirkung wird auch mit andern geometrischen Formen des Hohlkörpers erzielt.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird die Messung der natürlichen Frequenz des Zylinders wie folgt durchgeführt: Der Spule 10 wird Gleichstrom zugeführt und diesem ein Wechselstrom überlagert.
Falls die Frequenz des Wechselstromes gleich ist der natürlichen Frequenz des Zylinders, wird der Zylinder in Schwingung versetzt. Als Folge davon wird ein Wechselstrom gleicher Frequenz in der Spule 11 induziert. Die natürliche Frequenz kann somit ermittelt werden, indem die Frequenz des zugeführten Stromes so eingestellt wird, dass die in der Spule 11 induzierte Spannung maximal ist.
Die natürliche Frequenz kann auch dadurch ermittelt werden, dass die beiden Spulen über einen Verstärker miteinander so gekoppelt werden, dass sie ein selbstschwingendes System bilden (ähnlich wie in einem Stimmgabeloszillator). Die Frequenz der Schwingung wird dann gleich der natürlichen Frequenz des Zylinders und kann durch Ableitung eines Signals vom Verstärker und durch seine Zuführung zu einem Frequenzmesser ermittelt werden.
Im Beispiel der Fig. 1 sind beide Spulen im rechten Winkel zueinander angeordnet. In diesem Fall ist die elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Spulen sehr klein (theoretisch gleich Null), so dass die Zuführung von Strom zur Spule 10 in der Spule 11 eine sehr kleine Ausgangsspannung erzeugt, wenn der Zylinder nicht schwingt. Hierdurch wird die Konstruktion des Verstärkers wesentlich erleichtert.
Die natürliche Frequenz des Schwingungskörpers kann natürlich auch in anderer als der oben angegebenen Weise ermittelt werden.
Das Messinstrument im dargestellten Beispiel ist nicht vollständig temperaturunabhängig. Mit zu nehmender Temperatur sinkt die Frequenz etwas, als Folge der Abnahme des Elastizitätsmoduls des Schwingungskörpers. Dieser Effekt kann bei Instrumenten zur Messung von absoluten Drücken vermindert werden, indem der unbekannte Druck der äussern Fläche des Schwingungskörpers (Raum 7Y zugeführt wird, während der innere Raum (Raum 4) des Körpers hermetisch abgeschlossen wird. Der Druck des im Hohlkörper eingeschlossenen gasförmigen Mediums wird in der Folge bei zunehmender Temperatur ebenfalls zunehmen, so dass eine Frequenzzunahme erfolgt, die der Elastizitätsabnahme des Schwingungskörpers entgegenwirkt.
Die Druckzunahme des eingeschlossenen Gases wird proportional sein dem ursprünglichen Druckniveau, und durch Einstellung desselben auf einen geeigneten Wert ist es möglich, die optimale Temperaturkompensation zu erhalten.