Elektrische Differenzdruckmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Differenzdruckmesseinrichtung mit einem mehrteiligen Gehäuse mit durch Schraubverbindungen zusammenge- haltenen Gehäuseteilen und einem durch zwischen Gehäuseteilen eingespannte Wandungen in zwei Druckräume aufgeteilten Gehäuseinnern sowie einem eine Wandungsöffnung dichtend abdeckenden, zwei nachgiebige Elemente aufweisenden Differenzdruckmesssystem, dessen nachgiebige Elemente über eine Druckstange, die die Öffnung durchsetzt, mechanisch miteinander verbunden sind, bei der die an der Druckstange wirksame Messkraft elektrisch mittels einer Kraftkompensationsmessvorrichtung gemessen ist, die in einem im Innern des Gehäuses zwischen den nachgiebigen Elementen gelegenen und von der Druckstange durchsetzten eigenen, gegen die Druckräume abgedichteten Gehäuse gelagert ist,
dessen senkrecht zur Druckstange angeordnete und über Öffnungen von der Druckstange durchsetzte Wandungen zur Aufnahme der nachgiebigen Elemente, die diese Öffnungen abdecken, dienen.
Messeinrichtungen dieser Art dienen vornehmlich zur Durchflussmengenmessung, insbesondere in Dampfkraftanlagen an unter hohem statischem Druck stehenden Rohrleitungen, und sie erlauben es, Durchflussmengen bei statischen Drücken bis etwa 600 atü relativ genau zu messen.
In einer bekannten Einrichtung dieser Art ist die Anordnung derart getroffen, dass ein längliches, aus mehreren im wesentlichen zylindrisch geformten Teilen bestehendes Einrichtungsgehäuse durch zwei senkrecht zur Gehäuselängsachse verlaufende und zwischen Gehäuseteilen eingespannte Wandungen in drei nebeneinanderliegende Innenräume zerlegt ist. Die Wandungen weisen Ausnehmungen auf, die auf der dem Innenraum abgewandten Seite durch je einen Wellrohrkörper abgedichtet sind, und es sind beide Wellrohre durch eine Druckstange, die den durch die Wandungen und das Gehäuse gebildeten Innenraum durchsetzt, starr miteinander verbunden.
Im Innenraum sind Teile einer elektrischen Kraftkompensationsmessvorrichtung angeordnet, die die an der Druck stange fühlbare, dem Differenzdruck zwischen den beiden Aussenräumen des Gehäuses entsprechende Messkraft durch eine elektrisch erzeugte Gegenkraft kompensiert. Der zur Erzeugung der Kompensationskraft erforderliche elektrische Strom dient dabei als Mass für den Differenzdruck. Häufig ist die Anordnung auch derart getroffen, dass die Kompensationskraft dem Quadrat dieses Stroms proportional ist, weshalb der Strom der Quadratwurzel aus dem Differenzdruck proportional ist.
Messeinrichtungen dieser und ähnlicher Ausbildung leiden unter dem Mangel, dass ihre Messcha rakteristik druck- und temperaturabhängige Null punktsverschiebungen und druck und temperaturabhängige Hystereseerscheinungen aufweist. Ein nicht unbeträchtlicherAnteil dieser Fehlereinflüsse ist durch Druck- und Zugspannungen in den äusseren Gehäuseteilen der Einrichtung verursacht, die gegen die Kraftwirkung der das Gehäuse zusammenhaltenden Schrauben wirksam sind. Sie übertragen sich von den äusseren Gehäuseteilen über die das Gehäuseinnere aufteilenden Wandungen auf den Kompensator bzw. auf die Druckstange und bewirken eine druck- und tem- peraturabhängige Verlagerung dieser Bauteile, die zu Messfehlern führen.
Die erfindungsgemässe Differenzdruckmessein- richtung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensatorgehäuse ganz im Innern eines der beiden Messwerkdruckräume angeordnet ist und mit einer seiner beiden senkrecht zur Druckstangenrich tung ausgerichteten Wandungen eine beide Druckräume trennende Wandung bildet.
In einer so ausgebildeten Messeinrichtung ist das Kompensatorgehäuse vollkommen vom Druck im Innenraum des Differenzdruckwerks entlastbar, in dem das Kompensatorgehäuse zusammen mit den mit ihm kommunizierenden Teilen des Differenzdruckmessystems dicht mit einer Flüssigkeit, z. B. Silikon öl, gefüllt werden kann. Dabei kann die Anordnung zweckmässigerweise noch derart getroffen sein, dass die mit der Flüssigkeit gefüllten Teile der Messvorrichtung über eine nachgiebige Abdichtung, z. B. ein Wellrohr, dessen Federkraft klein ist gegen die Federkraft des nachgiebigen Differenzdruckmessystems, mit einem der beiden Druckräume des Messwerks in Druckverbindung gesetzt ist. Temperaturabhängige Volumenänderungen an der Flüssigkeit sind dann ohne Einfluss auf das Messergebnis, und es ist das nachgiebige Differenzdruckmessystem vollkommen von dem Druck der Flüssigkeit entlastet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Längsachse einer Messeinrichtung und
Fig. 2 eine Aussenansicht der Einrichtung.
Fig. 3 erläutert eine Einzelheit des Aufbaus der Einrichtung, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt den Aufbau des elektrischen Teiles der Einrichtung in schematischer Darstellung.
Die dargestellte Messeinrichtung umfasst eine scheibenförmige Grundplatte 1, die eine zentrische Ausnehmung aufweist. Die Grundplatte 1 ist zusammen mit einem zylindrisch geformten Mittelstück 2 durch Schrauben 3 und 4 zwischen zwei abgeschlossenen zylindrischen Endstücken 5 und 6 eingeklemmt, so dass das Gehäuse 5, 1, 2 und 6 nach aussen hin dicht abgeschlossen ist. Die einzelnen Gehäuseteile weisen entsprechende Abdichtungsmittel in Form von gummielastischen O-Ringen A auf. Ein Flansch 7 des Gehäuseteils 5 und ein Flansch 8 des Gehäuseteils 6 sind mit Druckanschlussstutzen 9 und 10 verbunden, die es gestatten, die Differenzdruckmesseinrichtung mit den jeweiligen Messstellen, zwischen denen ein Differenzdruck zu ermitteln ist, zu verbinden.
Gleichzeitig dienen die Flansche 7 und 8 zur Aufnahme der Schrauben 3 und 4, die ringsherum um die Mittelachse der Einrichtung auf dem Aussenumfang des Gehäuses angeordnet sind.
Die scheibenförmige Grundplatte 1 teilt den Innenraum des Gehäuses 5, 1, 2, 6 in zwei Druckräume 11 und 12 auf. An der Platte 1 ist eine weitereGrund- platte 13 durch Schraubverbindungen 14 und 15 im Druckraum 12 befestigt. Sie steht mit zwei Abstands- stücken 16 und 17 in Verbindung, die ihrerseits zur Befestigung einer dritten Grundplatte 18 dienen. Die scheibenförmige Grundplatte 18 ist mit einer zentrischen Ausnehmung versehen, die Gewinde aufweist.
In dieses Gewinde ist ein mit Aussengewinde versehener Ansatz einer Lagerplatte 20 eingeschraubt, die zur Lagerung eines Wellrohrkörpers 21 dient. Das Innere des Wellrohrkörpers 21 ist gegen den Druckraum 12 auf der Lagerplatte 20 abgedichtet.
Die Grundplatte 13 durchsetzt mit einem zentrisch gelegenen durchbohrten Ansatz die Öffnung der Grundplatte 1, und es ist an ihr mittels Schraubgewinde eine Lagerplatte 22 befestigt, die zur Lagerung eines Wellrohrkörpers 23 dient. Die Wellrohrkörper 21 und 23 sind durch Membranen 24 und 25, die geringe Federkräfte aufweisen, über Abstandsstücke 26 und 27, die sich an den Lagerplatten 20 und 22 abstützen, geführt, so dass sie keinerlei seitliche Kippungen ausführen können.
Die Köpfe 28 und 29 der Wellrohrkörper 21 und 23 sind über eine im Innern der Wellrohrkörper geführte Druckstange 30', die die Öffnungen der Grundplatte 18 bzw. der Lagerplatte 20 und der beiden Grundplatten 1 und 13 sowie der Lagerplatte 22 durchsetzt, miteinander verbunden.
Über die beiden Grundplatten 13 und 18 ist ein trommelförmiger Bauteil 30 geschoben, der den sich zwischen den beiden Grundplatten 13 und 18 erstrekkenden und von dem Bauteil 30 umschlossenen In nenraum - dicht gegen den Druckraum 12 abdichtet.
Zur Abdichtung sind auf dem Aussenumfang der Grundplatte 13 und 18 gummi-elastische Abdichtungsringe angeordnet. Ein weiteres Abdichtungselement ist zwischen der Grundplatte 18 und der Lagerplatte 20 vorgesehen, und es ist auch der Druckraum 11 gegen den Druckraum 12 über eine gummi-elastische Abdichtung, die zwischen der Grundplatte 1 und der Grundplatte 13 vorgesehen ist, und durch eine gummi-elastische Abdichtung zwischen der Lagerplatte 22 und der Grundplatte 13 druckdicht getrennt.
Im Druckraum 12 ist ein Wellrohrkörper 40 angeordnet, dessen Federkonstante klein gegen die Federkonstanten der Wellrohrkörper 21 und 23 ist. Er ist mittels Gewinde auf den Teil der Druckstange 30', die den Kopf 29 des Wellrohrkörpers 21 durchsetzt, aufgeschraubt, und es ist die Druckstange 30' mit einer axialen Bohrung 41 versehen, die den Innenraum des Wellrohrkörpers 40 mit dem Innenraum des Wellrohrkörpers 21 verbindet.
Im Innern des durch die Grundplatten 1 und 13 sowie 18 und durch den trommelförmigen Bauteil 30 gebildeten Gehäuses sind an Abstandsstücken zwischen der Grundplatte 13 und der Grundplatte 18 Hebel angeordnet, die zur Übersetzung der an der Druckstange 30' fühlbaren Messkraft dienen. Ein erster einarmiger Hebel 42 ist um eine Drehachse 43 drehbar gelagert und überträgt die von dem starr mit der Druckstange 30' in Verbindung stehenden Arm 43' erzeugte Kraft auf einen zweiten einarmigen Hebel 44, der um eine Achse 45 drehbar gelagert ist.
Der Hebel 44 ist mit einer Aluminiumfahne 46 verbunden, die bei Drehungen des Hebels 44 um die Achse 45 in ihrem Abstand gegen eine Spule 47 ver änderlich ist und die denWechselstromwiderstand der letzteren verändert. Die Spule 47 ist ebenso wie eine zweite Spule 48 Bauteil einer elektrischen Brücken schaltung, die durch eine 300 kHz-Wechselspannung gespeist ist. Im Nullpunkt der Messvorrichtung ist die Brückenschaltung abgeglichen. Beim Auftreten eines Differenzdrucks zwischen den Druckräumen 11 und 12 wird dieser Abgleich gestört und über eine passende - unten näher erläuterte Vorrichtung - ist ein elektrischer Gleichstrom erzeugt, der einem Elektromagneten 49 zugeführt ist. Der Elektromagnet weist eine ortsfest verbleibende Feldwicklung 50 und eine im Luftspalt des Elektromagneten beweglich gelagerte Tauchwicklung 51 auf.
Die Tauchwicklung 51 ist am Hebel 44 befestigt, und es sind die Feldwicklung 50 und die Tauchwicklung 51 in dem erwähnten Gleichstromkreis in Reihe geschaltet, so dass auf die Tauchwicklung 51 eine Kraft einwirkt, die dem Quadrat des erwähnten Gleichstroms proportional ist.
Der Kopf des Wellrohrkörpers 40 ist mit einem abdichtbaren Anschlussstutzen 52 ausgestattet. Nach Lösen des lösbaren Teils dieses Stutzens wird über die entstandene Öffnung das Innere des Wellrohrkörpers 23, des Kompensatorgehäuses 1, 13, 30, 18 und das Innere der Wellrohrkörper 21 und 40 dicht mit einem Silikonöl oder einem anderen Ö1, das elektrisch nicht leitfähig ist und eine genügend kleine Kompressibilität aufweist, dicht ausgefüllt, und der Stutzen 52 wird geschlossen.
Um zu verhindern, dass die Wellrohrkörper 21 und 23 bei einseitig wirkendem Überdruck in den Druckräumen 11 und 12 beschädigt werden, ist die Messeinrichtung mit einer Überdrucksicherung ausgestattet. Hierzu ist in der Ausnehmung der Grundplatte 13 ein im wesentlichen zylindrisch geformter Körper 60 angeordnet, der mit einem Ansatz in eine Ausnehmung der Grundplatte 13 eingreift. Der Ansatz weist an seinem Aussenumfang zwei gummi-elastische Abdichtungen 61 auf, und es stützt sich der im Innern des Wellrohrkörpers 23 verlaufende Teil der Stange 30' über eine Feder 62 an dem Körper 60 ab. Die Feder 62 ist hinreichend stark gewählt, so dass ihre Federeigenschaften nicht in die Messung eingehen.
Wirkt deshalb in dem Druckraum 11, der als Hochdruckraum für den Differenzdruckmesser dient, ein schädlicher Überdruck auf den Wellrohrkörper ein, so wird der Wellrohrkörper zunächst so weit zusammengedrückt, bis die gummi-elastische Abdichtung 61 das Innere des Wellrohrkörpers gegen das Innere des Kompensatorgehäuses abdichtet. Darauf wird die Feder 62 beansprucht, und es ist im Weg des die Feder 62 betätigenden Stangenteils ein Anschlag vorgesehen, der eine weitere Kompression der Feder 62 nach einer gewissen Wegbeanspruchung des Wellrohrkörpers 23 verhindert. Wirkt im Druckraum 12 ein unzulässig hoher Überdruck, so wird über die gummi-elastische Abdichtung 61 ebenfalls das Innere des Kompensatorgehäuses bzw. des Wellrohrkörpers 21 von dem Innenraum des Wellrohrkörpers 23 getrennt.
Die zum Kompensator gehörigen elektrischen Bestandteile sind nicht sämtlich im Kompensatorgehäuse der Einrichtung untergebracht.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist an dem zylinderförmigen Gehäuseteil 2 ein Kasten 70 befestigt, der die zu der Einrichtung gehörigen elektrischen Bestandteile aufnimmt. Der Kasten erstreckt sich im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Einrichtung und weist einen Anschluss 71 zur Zuführung einer elektrischen Versorgungs-Wechselspannung auf.
Über einen Anschluss 72 ist dem Kasten 70 ein elektrischer Gleichstrom, der z. B. zwischen 0.. 50mA mit dem zu messenden Differenzdruck variabel ist, entnehmbar. Die elektrische Verbindung zwischen dem Kasten 70 und dem Innern der Messvorrichtung erfolgt über eine Bohrung 73 in der Grundplatte 1 der Einrichtung. In der Bohrung 73 ist eine druckdichte elektrische Durchführung einsetzbar, deren Ausbildung aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Wie in dieser Figur dargestellt, ist in die Bohrung 73 ein hohlzylindrischer Körper 74 eingebracht, in dem in mehrschichtigem Aufbau abwechselnd Kunststoff- und Metallplatten in Verbindung mit gummi-elastisch abdichtenden Platten eingebracht sind, so dass die elektrischen Durchführungen im Inneren des Bauteils 74 druckdicht verlaufen.
Der Aussenumfang des Bauteils 74 ist mit einem O-Ring 75 gegen die Grundplatte 1 abgedichtet, und die Bohrung 73 selbst ist von aussen mechanisch durch eine Scheibe 76 verschlossen, die z. B. durch Schraubbefestigungen an der Grundplatte 1 befestigt ist. Die Hülse 74 stützt sich unter der Einwirkung der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Messwerks und dem Aussenraum an einem Bauteil 76 ab.
In Fig. 4 bezeichnet 80 einen 300 kHz-Oszillator, der über einen Übertrager 81 eine Brückenschaltung 82 speist. Die Brückenschaltung enthält die Spule 47, und die Fehlerspannung der Brücke ist mittels eines Verstärkers 83 verstärkt über einen tJberträger 84 einem phasenempfindlichen Gleichrichter 85 zugeführt, der seine Hilfsspannung aus dem Oszillator 80 über den Übertrager 81 erhält. Der als Gegentaktmodulator ausgebildete phasenempfindliche Gleichrichter 85 erzeugt an seinem Ausgang eine Gleichspannung, die einem Leistungsverstärker 86 zugeführt ist, der an seinem Ausgang einen Gleichstrom erzeugt. Dieser Gleichstrom durchfliesst die Tauchspule 51 und die Feldspule 50 des Elektromagneten 49, die in Reihe geschaltet sind.
In Reihe zu den Wicklungen des Elektromagneten ist ein Anzeigeinstrument 87 oder eine andere messwertabhängig zu steuernde Vorrichtung, z. B. ein Regler, ein Schreiber oder ein elektrischer Zähler oder mehrere dieser Instrumente gleichzeitig, geschaltet.
In Fig. 1 bezeichnet 90 eine Nullpunktsfeder, die zwischen einem druckdicht durch die Wandung des Gehäuseteils 5 geführten, über ein Gewinde betätigbaren Stift 91, der von der Gehäuseaussenseite über ein Vierkantstück 92 betätigt werden kann, verstellbar ist. Die Feder 90 stützt sich am Kopf des Stiftes 91 und am Kopf des Wellrohrkörpers 23 ab.
Durch Justieren der Spannung der Feder 90 werden sämtliche Teile des elektrischen Kompensators auf ihren Nullpunkt einjustiert, so dass im Falle der Gleichheit des Druckes in den Druckräumen 11 und 12 am Ausgang des Verstärkers 86 ein elektrischer Strom nicht fliesst. Bei steigendem Druck im Druckraum 11 wird an der Druckstange 30' eine der Druckdifferenz zwischen den beiden Druckräumen entsprechende Kraft fühlbar, die sich über das Hebelsystem 42, 43, 44 überträgt und zu einer Verlagerung der Steuerfahne 46 und damit zu einer Veränderung des Widerstandes 47 führt. Am Ausgang des Ringmodulators 85 wird deshalb eine entsprechende Fehlerspannung ausgesteuert, die im Ausgangsstromkreis des Leistungsverstärkers 86 einen entsprechenden Strom erzeugt, der die Wicklungen des Elektromagne ten 49 durchfliesst.
Der Elektromagnet erzeugt eine entsprechende Gegenkraft, die über das Hebelsystem auf die Druckstange übertragen wird und die die Messkraft kompensiert. Die dabei auftretenden Hubbewegungen der Druckstange 30' sind klein und betragen praktisch wenige Hundertstelmillimeter, so dass die elastischen Eigenschaften der Wellrohrkörper wegmässig nicht beansprucht werden.
Die beschriebene Ausbildung ist nicht an die Verwendung vonWellrohren gebunden. Anstelle derWellrohre können auch Membranen verwendet sein. Daneben ist die Messeinrichtung auch mit linearer anstelle der quadratischen Messcharakteristik ausführbar. Im letzteren Falle wird der Elektromagnet 49 durch ein permanent-magnetisches Magnetsystem ersetzt oder aber die Feldwicklung 50 des Elektromagneten 49 wird durch einen konstanten Gleichstrom erregt.