Elektrische Differenzdruckmefleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Differenzdruckmesseinrichtung, bestehend aus einem mecham'- schen Differenzdruckmesswerk mit zwei Druckräumen, die durch eine Wandung, z. B. durch eine Membran, welche unter dem Einfluss des zwischen beiden Räumen bestehenden Druckunterschieds verschiebbar gelagert ist, getrennt sind, und aus einem elektromechanischen Kraftkompensator zur Umwandlung einer dem Differenzdruck entsprechenden Kraft in eine elektrische Grösse, z.
B. in einen Gleichstrom, wobei die Kraft auf ein beweglich gelagertes, vorzugsweise waageartig drehbar angeordnetes Messelement des Kompensators übertragen, die resultierende Stel lungsänderung dieses Elements mittels eines elektrischen Stellungsfühlers erfühlt und über den Stellungs- fühler ein elektrischer Strom ausgesteuert ist, der einem mit dem Messelement zusammen. wirkenden elektromagnetischen Kraftgeber zur Erzeugung einer der Messkraft an diesem Element entgegengerichteten Kompensationskraft zugeführt ist.
Bei elektrischen Differenzdruckmesseinrichtungen dieser Art tritt bekanntlich zunächst das Problem auf, die im Innern eines Messwerkdruckraumes erzeugte Messkraft auf das beweglich gelagerte Messelement des Kompensators zwecks Kompensation derselben zu übertragen. Es sind zahlreiche Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen die im Innern des Messwerkdruckraumes erzeugte Messkraft über elastische Durchführungen durch die Wandung des Messwerks naclt aussen herausgeführt ist und bei denen deshalb ausserhalb des Druckraumes die Bauteile des elektromechanischen Kompensators angeordnet sind.
Kompensatoren dieser Bauart lassen sich technisch unter anderem nicht zur Mengenmessung an fluiden Medien, die Rohrleitungen durchströmen und unter hohem statischen Druck stehen, anwenden, da elastische Gehäusedurchführungen für höhere statische Drücke nicht geeignet sind. Für Hochdruckmengenmesser, die z. B. in Kraftwerken an unter hohem statischen Druck stehenden Dampfleitungen zur Mengenmessung nach dem Wirkdmckverfahren Anwendung finden, ist es deshalb bekannt, anstelle der mechanischelastischen Kraftdurchführungen durch eine Gehäusewandung des Messwerks magnetische Kupplungen einzusetzen.
Abgesehen davon, dass magnetische Kraftkupplungen einen hohen Aufwand an Justierung erfordern, lassen sich über magnetische Kraftkupplungen auch nicht beliebig hohe Kräfte übertragen, so dass an Differenzdmck- messeinrichtungen dieser Bauart häufig im Druckraum des mechanischen Differenzdruckmesswerks komplizierte und korrosionsanfällige Hebelübersetzungssysteme erforderlich werden.
Es ist deshalb bereits bekannt, Differenzdruckmesseinrichtungen der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, dass eine Herausführung der zu messenden Kraft aus dem Innern des unter hohem statischen : Druck stehenden Messwerkgehäuses durch dessen Wandung hindurch überhaupt entbehrlich ist.
In Anordnung dieser Art werden ! bestimmte Kom- pensatorbauteile mit dem Messwerk baulich in der Weise vereinigt, dass die mit dem Messwerk unmittrel- bar zusammenwirkenden Elemente des Kompensators wenigstens in Teilen der Gesamtanordnung im Innern des Differenzdruckmesswerks gelagert sind.
Bei solchen Einrichtungen wird die Messkraft, die dem Differenzdruck entspricht, unmittelbar im Innern des Messwerkgehäuses kompensiert, so dass es lediglich erforderlich ist, die erforderlichen elektrischen .Zuleitungen druckdicht durch die Gehäusewandung hindurchzuführen.
So ist beispielsweise an Membrandifferenzdruckmessern bekannt, den Stellungsfühler und den Kompensationskraftgeber des Kompensators getrennt auf der Hoch- und der Niederdruckseite der Membran anzuordnen, wobei die beweglichen Teile beider Bauelemente unmittelbar an der Membran befestigt sind.
Solche Anordnungen sind insofern nachteilig, als ihr Einsatz zur Mengenmessung an chemisch aggressiven Medien wegen ihrer hohen Korrosionsanfälligkeit betriebssicher nicht möglich ist.
An Doppelwellrohr-Differenzdruck-Messeinrichtungen ist es bekannt, den Stellungsfühler, den Kraft geber und das Messelement des Kompensators im Innern der beiden Well.rohre, die durch eine im Innern angeordnete Druckstange starr miteinander verbunden und von aussen mit den Messdrücken beaufschlagt sind, anzuordnen und das Innere der Wellrohre mit einer inkompressiblen Schutzflüssigkeit, z. B. in Form eines Öls, dicht auszufüllen. Die dem Differenzdruck entsprechende Messkraft wird deshalb im Innern beider Wellrohre kompensiert. An solchen Einrichtungen ist die Korrosionsanfälligkeit der Vorrichtung beseitigt.
Jedoch ist die erläuterte Ausbildung beispielsweise an einfachen MembranDiffe- renzdruckmessern oder an Tauchglockenmesswerken, bei denen die beiden Druckräume durch eine Sperrflüssigkeit voneinander getrennt sind, in der ein Auftriebskörper angeordnet ist, der eine mit dem Differenzdruck wechselnde Auftriebskraft erfährt, die zu kompensieren ist, nicht ohne weiteres durchführbar, so dass für jedes dieser auch in zahlreichen anderen Ausführungsformen gebräuchlichen Sondermesswerke wiederum eigene Konstruktionen bereitgestellt werden, die abermals mit elastischen oder magnetischen Kraftdurchführungen ausgerüstet sind.
Es sind schliesslich Membrandifferenzdruckmesser bekannt, bei denen das Messelement des Kompensators, sein Stellungsfühler und sein Kraftgeber in einem mit Öl gefüllten Gehäuse gelagert sind, dessen Wandung mit zwei elastischen Membranen versehen ist, die mit ihrer Aussenseite unter dem Druck der Niederdruckseite des Membranmesswerks stehen.
Die von der Membran des Differenzdruckmessers erzeugte Messkraft ist im Druckraum der Niederdruckseite über Druckstangen auf eine der beiden Membranen des Kompensatorgehäuses übertragen, wobei diese Membran mit der Messmembran starr in Verbindung steht. Ein der Messkraft entsprechender Druck wird über die Ölfüllung des Kompensatorgehäuses hydraulisch auf die erwähnte zweite elastische Membran undl von dort unter Anwendung einer Druckstange auf das Messelement des Kompensators übertragen, so dass die resultierende Kraft in üblicher Weise kompensierbar ist. Auch diese Anordnung ist gegenüber Korrosion der Kompens atorbauteile geschützt.
Sie weist jedoch den Nachteil auf, dass die Ölfüllung des Gehäuses zur hydraulischen tbertra- gung der Messkraft benutzt wird, wobei die beiden elastischen Membranen in Verbindung mit der dazwischen angeordneten Schutzflüssigkeit ein Differenzdruckmesssystem bilden, dessen Funktion ausserordentlich temperaturabhängig ist. Diese Abhängigkeit ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass thermisch bedingte Volumenänderungen an der Schutzflüssigkeit auf die Membran Kräfte übertragen, die sich der durch die Flüssigkeit hindurch übertragenen Messkraft überlagern, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Wegen des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Flüssigkeiten sind solche Anordnungen insbesondere dann unbrauchbar, wenn die Messvorrichtungen zur Durchflussmengenmessung an heissen Medien, z.
B. zur D ampfmengenmessung in Kraftwerken, benutzt werden sollen.
In Verbesserung der bekannten Anordnungen wird deshalb eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, die sich erfindungsgemäss durch die Vereinigung der nachfolgend angegebenen baulichen Merkmale kennzeichnet: a) das Messelement, der Stellungsfühler und der Kompensationskraftgeber des elektromechanischen Kompensators sind in einem mit einer Schutzflüssigkeit gefüllten Kompensatorgehäuse gelagert; b) das Kompensatorgehäuse ist mit dem Diffe renzdruckmesswerk selbst in lösbarer Weise baulich vereinigt;
c) die Elüssigkeitsfüflung des Kompensatorgehäuses steht unter dem Druck eines der beiden Messwerkdruckräume, indem das Innere des Gehäuses über eine flexible Gehäusewandung mit diesem Druckraum in Druckverbindung gesetzt ist, und d) die vom Differenzdruckmesswerk erzeugte, dem Differenzdruck entsprechende Messkraft wird über Stangen und Hebel mechanisch mittels einer am Gehäuse des Kompensators vorgesehen, elastischen Gehäusedurchführung vom Innern des vorgenannten Messwerkdruckraums in das Innere des Kompensatorgehäuses auf das Messelement übertragen, indem die sowohl im Druckraum als auch im Gehäuseinnern angeordneten mechanischen Übertragungselemente über die Gehäusedurchführung kraftschlüssig miteinander in Verbindung stehen.
Bevorzugt kann die Einrichtung nach der Erfindung derart ausgebildet sein, dass die in dem mit einer Schutzflüssigkeit gefüllten Gehäuse angeordneten Kompensatorbauteile mit ihrem Gehäuse als bauliche Einheit ganz im Innern eines der beiden Druckräume des Differenzdruckmesswerks angeordnet sind, wobei es zweckmässig ist, dieses Gehäuse auf der Niederdruckseite des Differenzdruckmesswerks anzuordnen.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes eine radizierende elektrische Differenzdruckmess einrich- tung im Schnitt schematisch ? dargestellt, die zur Durchflussmengenmessung an unter hohem statischen Druck stehenden Dampfleitungen nach dem Wirkdruckverfahren Anwendung findet.
Fig. 2 dient zur Erläuterung der an sich bekannten elektrischen Wirkungsweise von Kraftkompen satoren der vorliegenden Bauart.
In der Fig. 2 bezeichnet 200 einen um den Lagerpunkt 201 drehbar gelagerten, zweiarmigen Hebel, auf den eine Messkraft F, die einem an einer Drosselstelle in einer Rohrleitung fühlbaren Diffe renzdruck Ap entspricht, einwirkt. Die resultierende
Stellungsänderung des Hebels 200 wird mittels eines elektrischen Stellungsfühlers 202, 203, 204 elektrisch erfühlt und in einen Gleichstrom umgewandelt, der dem Ausgang eines Verstärkers 205 entnehmbar ist.
Der Stellungsfühler besteht im vorliegenden Fall aus einer mit dem Hebel 200 starr verbundenen Metallfahne 202, die eine in einem Rückkopplungskreis eines elektrischen Oszillators 204 gelegene Spule 203 je nach Stellung des Hebels 200 in unterschiedlicher Weise elektrisch bedämpft. Der Oszillator 204 arbeitet mit dem Verstärker 205 zusammen. Der Kompensationsgleichstrom, der dem Verstärker entnehmbar ist, ist der Reihenschaltung zweier Spulen 206, 207 zugeführt; beide Spulen bilden einen elektromagnetischen Kraftgeber. Die Spule 206 ist mit dem Hebel 200 starr verbunden und mit diesem im Feld der ortsfest verbleibenden Spule 207 beweglich.
Durch den Kraftgeber 206, 207 wird am Hebel 200 ein Drehmoment erzeugt, das dem durch die Messkraft F erzeugten Drehmoment entgegenwirkt. Es ist dem Quadrat des Kompensationsgleichstroms proportional. Für den Fall des Kräftegleichgewichts am Hebel 200 ist deshalb das durch den Kompensationskraftgeber erzeugte Drehmoment gleich dem der Messkraft. Der Kompensationsstrom der Anordnung ist deshalb der Quadratwurzel der Messkraft proportional. Entspricht die Messkraft einem zu messenden Differenzdruck, so ist der Strom deshalb unmittelbar ein Mass für den Durchfluss Q eines durchs eine Rohrleitung strömenden Mediums, da Q proportional zur Wp ist. In Reihe zu den Wicklungen des Kompensationskraftgebers sind in üblicher Weise Messinstrumente bzw. Regelgeräte geschaltet.
Mit 209 ist ein Anzeigeinstrument, mit 210 ein Schreiber, mit 211 ein Gleichstromzähler und mit 212 der Eingang eines elektrischen Reglers oder dergleichen bezeichnet.
In Fig. 1 bezeichnet 1 die Grundplatte des mechanischen Differenzdruckmesswerks. Die Grundplatte ist mit zwei lösbaren Kappen 2 und 3 baulich vereinigt, deren Inneres 4 bzw. 5 jeweils die Hochbzw. Niederdruckseite des Differenzdruckmesswerks bildet. Das Innere 4 und 5 beider Kappen ist über Zuleitungen 6 und 7, die durch die Grundplatte 1 gelegt sind, mit den jeweiligen Druckentnahmestellen an einer Rohrleitung, deren Durchfluss nach einem Differenzdruckmessverfahren unter Verwendung einer in die Rohrleitung eingebauten Drosselstelle gemessen werden soll, verbindbar. Im Hochdruckraum 4 ist an der Grundplatte 1 ein Wellrohrkörper 8 befestigt.
Das Innere des Wellrohrkörpers steht über eine Bohrung in der Grundplatte 1 mit dem Inneren eines zweiten, an der Grundplatte auf der Niederdruckseite 5 angeordneten Wellrohrkörpers 8' in Verbindung.
Beide Wellrohrkörper sind mit einer Schutzflüssigkeit gefüllt, die inkompressibel ist. Durch die Bohrung ist eine Druckstange 9, die am Kopf des Wellrohres 8 starr befestigt ist, hindurchgeführt. Sie weist einen mechanischen Anschlag 10 auf, der als Uberdruck- sicherung zum Schutz des Wellrohrkörpers 8 vorgesehen ist.
Die Stange 9 verbindet den Kopf des Wellrohrkörpers 8 mit dem Kopf des Wellrohrkörpers 8' starr, so dass eine dem zwischen den beiden Druckräumen 4 und 5 bestehenden Differenzdruck entsprechende Kraft an der Stange 9 und damit am Kopf des Wellrohrs 8' erzeugt wird.
Mit 11 ist eine im Innern des Niederdruckraums 5 gelagerte Gehäusekappe bezeichnet, die an einer Montageplatte 12 druckdicht befestigt ist. Das Gehäuse 11, 12 ist mit einer Schutzflüssigkeit, z. B. in Form von Silikonöl, gefüllt und weist eine flexible Wandung 13 auf. Es handelt sich dabei um einen Wellrohrkörper, der einerseits von der Schutzflüssig keit im Gehäuse 11, 12 und d anderseits vom Druck- raum 5 begrenzt ist. Über die flexible Gehäusewandung 13 erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem Druckraum 5 und dem Innern des Gehäuses 11, 12.
Die Federkonstante des Wellrohrkörpers bzw. die elastischen Richtkräfte der Wandung 13 sind möglichst klein gehalten. Ideal ist eine flexible, richtkraftfreie Wandung.
Zwischen dem Innern des Gehäuses und dem Druckraum 5 besteht deshalb im wesentlichen kein merklicher Differenzdruck. Etwa vorhandene Druckunterschiede zwischen den beiden Räumen sind lediglich auf die an sich unerwünschten Eigenschaften des Materials d ! er Gehäusewandung 13 und even- tuelle thermische Effekte an der Schutzflüssigkeit im Innern des Gehäuses 11, 12 zurückzuführen.
Die Grundplatte 12 des Kompensatorgehäuses trägt einen Wellrohrkörper 14, dessen Material ähnliche Eigenschaften aufweist wie die Gehäusewandung 13, d. h. auch dieser Wellrohrkörper weist im wesentlichen keinerlei Rückstellkräfte auf. Der Kopf des Wellrohrs 14 steht mit einer Druckstange 15 starr in Verbindung, die auf einen zweiarmigen Hebel 16, der um die Achse 17 in der Schutzflüssigkeit drehbar gelagert ist, einwirkt. Anderseits steht die Druckstange 9, an der eine der jeweiligen Druckdifferenz zwischen den Drücken der Druckräume 4 und 5 entsprechende Kraft fühlbar ist, kraftschlüssig mit dem Kopf des Wellrohrs 14 in Verbindung, so dass die über die Druckstange 15 auf den Hebel 16 übertragene Kraft der Messkraft entspricht.
Mit 18 ist ein zweiter Hebel, der um die Achse 19 drehbar gelagert ist, bezeichnet; er dient zur Untersetzung der Messkraft. Die untersetzte Kraft wird über die Druckstange 20 auf das in Form eines einarmigen Hebels ausgebildete Messelement 21 des elektromechanischen Kompensators übertragen. Dieses Messelement ist um die Achse 22 drehbar gelagert.
Das Messelement 21 trägt die Schwenkspule 23 eines elektrodynamischen Kraftgebers 23, 24, der nach Art eines Elektromagneten ausgebildet ist und aus einer ortsfesten Spule 24 und der im Feld dieser Spule beweglichen Schwenkspule 23 besteht. Gleichzeitig ist der Hebel 21 mit einer z. B. aus Kupfer gefertigten Metallfahne 25 starr verbunden, die im Feld einer Spule 26,-die im Rückkopplungskreis eines HF-Oszillators gelegen ist, in elektrischer Wirkverbindung steht.
Je nach Grösse der auf die Druckstange 9 einwirkenden Messkraft wird der Hebel 21 um die Achse 22 gedreht und die Spule 27 mehr oder weniger bedämpft, wodurch im elektronischen Teil des elektromechanischen Kompensators, der ausserhalb des mechanischen Messwerks angeordnet ist, ein Strom ausgesteuert wird, der dem elektrodynamischen Kraftgeber 23, 24 im Sinne der Erzeugung einer die Messkraft kompensierenden Kompensationskraft zugeführt ist, so dass sich die am Messelement 21 auftretende Messkraft und die dazu entgegengerichtete Kompensationskraft stets das Gleichgewicht halten.
Dem elektronischen Teil des elektromechanischen Kompensators kann deshalb bei passender Ausbildung der Einrichtung ein eingeprägter elektrischer Gleichstrom, ein elektrischer Wechselstrom oder auch eine andere elektrische Grösse, z. B. in Form einer eingeprägten Frequenz, entnommen werden, die der Messkraft oder bei entsprechender Ausbildung des Kompensationskraftgebers der Quadratwurzel aus der Messkraft in an sich bekannter Weise direkt proportional ist.
Mit 27 ist ein z. B. aus Aluminium gefertigter Flügel bezeichnet, der am Messelement 21 befestigt ist und der zur Dämpfung des elektromechanischen Kompensators in der Schutzflüssigkeit des Gehäuses 11, 12 dient.
Ein Differenzdruck zwischen dem Innenraum des Kompensatorgehäuses 11, 12 und dem Druckraum 5 würde zu einer Kraftwirkung auf den Kopf des Wellrohrs 15 Anlass geben, die sich der an der Stange 9 fühlbaren Messkraft überlagern und demzufolge mit gemessen würde. Solche Kräfte entstehen beispielsweise dann, wenn sich das Volumen der Schutzflüssigkeit infolge einer Temperaturänderung lediglich gegen eine merkliche Rückstellkraft der Wandung 13 ausdehnen könnte. Weiterhin würde die Messung dann durch Störkräfte verfälscht, wenn durch den Druck auf den Kopf des Wellrohrs 14 eine Drucksteigerung im Innern des Gehäuses 11, 12 eintreten würde oder wenn dabei über die VerdränW gung der Schutzflüssigkeit gegen den Druck des Druckraumes 5 Arbeit zu leisten wäre.
Die beschn.e bene Ausbildung der Einrichtung stellt eine von derartigen Einflüssen freie Funktion der Messeinrichtung sicher.
Zur Herbeiführung einer elektrischen Verbindung zwischen den elektromechanischen Bestandteilen der Kompensationseinrichtung, die im Gehäuse 11, 12 angeordnet sind, und den elektronischen Bestandteilen dieser Vorrichtung ist die Grundplatte 12 mit einem hülsenförmigen Ansatz 30 versehen, der zur druckdichten Durchführung der elektrischen Zuleitungen aus dem Gehäuse der Messeinrichtung dient.
Die Hülse 30 nimmt die zu einem Kabel 32 zusammengefassten Zuleitungen auf, wobei die Zuleitungen im Innern 31 der Hülse 30 von ihrer Isolierung befreit und gegebenenfalls in Hülsen eingelötet sind.
Die metallischen Zuleitungen sind im Innern der Hülse 30 im Abstand voneinander angeordnet, und es ist in das Innere 31 der Hülse 30 ein Metallklebemittel, z. B. in Form eines Kunststoffmetallklebemittels, eingegossen, so dass eine feste isolierende Verbindung zwischen dem Innern der Hülse 30 und den metallischen Zuleitungen zustande kommt. Eine derartige Durchführung hat sich als ausserordentlich druckdicht erwiesen, so dass selbst Kräfte von mehreren ; Tonnen die Durchführung nicht zu zerstören vermögen. Innerhalb der Schutzflüssigkeit sind die Zuleitungen wieder isoliert zu den ein zelnen Kompensatorbauteilen weitergeführt. Diese Weiterführung der Zuleitung 32 ist in der Figur nicht dargestellt.
Im übrigen stützt sich die Hülse 30, die entweder Bestandteil der Platte 12 oder aber an dieser, z. B. durch eine abdichtbare Schraubverbindung über Gewinde, befestigt ist, an der Grundplatte 1 des mechanischen Messwerks über eine zweite Hülse 30' ab, durch deren Inneres das Kabel 32 hindurchgeführt ist.
Zum Ausgleich thermischer Einflüsse, die zu Änderungen eines etwa zwischen dem Innern des Gehäuses 11, 12 und dem Druckraum 5 bestehenden Differenzdrucks Anlass geben, ist der Druckraum 5 über ein zweites richtkraftarmes Wellrohr 28 mit dem Innern des Gehäuses 11, 12 in Druckverbindung gesetzt. Der Kopf des Wellrohres 28 steht mit einer Druckstange 28' in Verbindung, die auf den Hebel
16 einwirkt, so dass Änderungen des Differenzdrucks zwischen den beiden Räumen sich auf den Hebel 16 über den Wellrohrkörper 14 nicht auswirken können, sondern ; kompensiert werden.
Auch die Federkonstanten der Wellrohrkörper 14 und 28 werden zweckmässig klein gehalten, so dass dort möglichst richtkraftfreie elastische Durchführungen vorhanden sind.
Im übrigen ist das Gehäuse 11, 12 über mehrere Stangen 29 an der Grundplatte 1 lösbar befestigt.
Mit 33 ist noch eine Feder bezeichnet, deren Kraftwirkung auf den Wellrohrkörper 8 über die Einstellhandhabe 34, die druckdicht durch die Kappe 2 hindurchgeführt ist, veränderlich ist. Die Handhabe 34 dient zur Einjustierung des Kraftschlusses zwischen der Stange 9 und dem Messelement t 21 des elektromechanischen Kompensators.
Es ist ersichtlich, dass der elektromechanische Kompensationsteil, der in dem Gehäuse 11, 12 angeordnet ist, in jedem beliebigen mechanischen Differenzdruckmesswerk angeordnet werden kann.
Die Ausbildung der beschriebenen elektrischen Differenzdruckmesseinrichtung stellt sicher, dass die Nachteile der eingangs erläuterten bekannten Anordnungen beseitigt sind. Daneben ist die Ausbildung des vorgesehenen Kompensators nunmehr vollkommen unabhängig von der jeweiligen speziellen Ausbildung des gerade benutzten Differenzdruckmess- werks. Es ist also möglich, den elektrischen Kompensator an jedem beliebigen Messwerk zu benutzen bzw. ihn mit jedem beliebigen Messwerk zu kombinieren, ohne dass es dazu etwa einer besonderen Kompensator- oder Messwerkkonstruktion bedarf.
Weiterhin bringt die beschriebene Ausbildung den Vorteil, dass der Kompensator am Messwerk im Falle einer betrieblichen Störung leicht gegen einen anderen gleichartigen Kompensator austauschbar ist, was im Interesse einer leichten Wartung der Druckmesseinrichtung von Vorteil ist. Die Prüfung und Eichung der Gesamteinrichtung wird erleichtert, da Messwerk und Kompensator nicht mehr organisch miteinander verbundene Bauteile bilden. Dies kommt auch der leichteren industriellen Fertigung solcher Geräte in ersichtlicher Weise zugute.