Druckmesswandler und Verfahren zu seiner Herstellung
Beim Bau von Druckmesswandlern kommt der Ue- staltung der Membrane ausschlaggebende Bedeutung zu.
Dieselbe hat bekanntlich eine 5-fache Aufgabe zu bewältigen. a) Sie dichtet das Innere des Wandlers gegen das Messmedium ab. b) Sie überwindet ungleichmässige Deformationen des Wandlergehäuses gegenüber dem zentralen Messteil des Wandlers. c) Sie überträgt den von aussen wirkenden Flächendruck in jedem Druckbereich proportional auf den zentralen Messstempel. d) Sie soll möglichst unempfindlich gegen harte dynamische Druckstösse sein. ye) Sie soll sich bei Temperaturstössen möglichst wenig werfen.
Es ist ersichtlich, dass diese verschiedenen Aufgaben nicht leicht in eine einwandfreie konstruktive Lösung zu bringen sind. Eine bekannte Membranform, die vom weitaus grössten Teil aller Messwandler angewendet wird, benützt eine ringwulstähnliche Einsenkung, deren Querschnitt etwa einer Ketten linie entspricht. Diese Form eignet sich gut für die meisten Anforderungen, dagegen ist sie für Dauerbeanspruchung bei harten dynamischen Stössen wenig geeignet, da sich an den Einsenkstellen sehr gefährliche Zug- und Biegebeanspruchungen ergeben.
Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Druckmesswandler, der allen gestellten Anforderungen in idealer Weise nahe kommt. Die Erfindung betrifft einen Druckmesswandler mit einer Dichtmembrane, die an ihrer Umfangspartie mit dem rohrförmigen Wandlergehäuse verschweisst ist und mit ihrer zentralen Partie auf einem im Wandlerinneren befindlichen Druckstempel aufliegt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmembrane den Ringraum zwischen Wandlergehäuse und Druckstempel in form eines stützbogenförmigen Wulstes entgegen dem im Betrieb zu messenden Mediumdruck überwölbt. Damit ergibt sich der grosse Vorteil, dass in der Membrane keine Zugspannungen, sondern Druckspannungen entstehen, die bekanntlich ein wesentlich günstigeres Dauerverhalten ergeben.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemässen Druckwandlers. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmembrane aus gewalztem Blech im Gesenk vorgepresst wird und dass hierauf in einer Spezialvorrichtung durch hydraulische Druckanwendung der gewünschte stützbogenförmige Wulst erzeugt wird.
Die Erfindung ist anhand der folgenden Figuren beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das membranseitige Ende eines handelsüblichen Druckmesswandlers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das membranseitige Ende eines erfindungsgemässen Druckmesswandlers, und
Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch das membranseitige Ende eines erfindungsgemässen Druckwandlers.
Nach Fig. 1 besteht ein handelsüblicher Druckmesswandler im wesentlichen aus dem rohrförmigen Wandlergehäuse 1, dem zentralen Druckübertragungsstempel 2, in welchem piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Messmittel eingebaut sein können. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 2 ist der ringförmig ausgebildete Raum 3. Die Membrane 4 ist mit dem Körper 1 mittels Schweissung 5 verbunden. Sie überbrückt den Ringraum 3 mit einem Ringwulst 6 mit halbkreisoder kettenlinienähnlichem Querschnittsverlauf in der Wulstpartie. Bei starken Druckstössen ergeben sich an den kreislinienförmigen Auflagesteilen 7 und 8 gefährliche Zug- und Biegespannungen, die bei Dauerbeanspruchung oft zu Membranbruch führen.
Das Druckmedium bewirkt den Flächendruck p auf die Membrane, wodurch eine Relativbewegung S zwischen Gehäuse 1 und Messstempel 2 auftritt. Diese Bewegung muss durch die Ela stizität des Ringwulstes 6 aufgenommen werden, ohne dass sich dabei die Auflagepunkte 7 und 8 wesentlich verschieben, ansonst sich eine schlechte Linearität des Messwandlers ergibt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eines erfindungsgemässen Druckmesswandlers besitzt ebenfalls ein rohrförmiges Wandlergehäuse 21 und einen zentralen Druckübertragungsstempel 22; im Wandler können wie derum piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Messmittel eingebaut sein. Zwischen Gehäuse 21 und Stempel 22 befindet sich der ringförmig ausgebildete Raum 23. Die möglichst dünne Membrane 24 ist mittels Schweissung 25 mit dem Gehäuse 21 fest verbunden.
Die Membrane 24 überbrückt den Ringraum 23 in Form eines stützbogenähnlichen Ringwulstes 26 mit beispielsweise halbkreisförmigem Querschnittsverlauf. Der Mediumdruck p bewirkt an allen Stellen des Ringwulstes 26 Druckspannungen, welche sich an den Stellen 27 und 28 abstützen. Die Stützkraft P kann in die beiden Komponenten A und B aufgeteilt werden. Von Vorteil ist, wenn der Winkel cc zwischen 450 und 600 beträgt damit Schub B und Auflagedruck A etwa gleich gross werden. Auf der Kreislinie 27 wird der Abstützwinkel p in ähnlichen r Grössen liegen, abhängig vom Verhältnis . Diese Auf
R lagepunkte verändern ihre Lage auch nicht, wenn sich Relativbewegungen S zwischen Körper 21 und Stempel 22 ergeben. Zudem liegt die Dauerfestigkeit von normalen Membranmaterialien bei Druckbeanspruchung wesentlich höher als bei Zugbeanspruchung.
Die erfindungs- gemässe Ausführungsform ergibt deshalb eine um ein mehrfaches erhöhte Lebensdauer wie eingehende Versuche gezeigt haben. Die Membrane 24 wird zweckmässig so dünn wie möglich gehalten. Sie kann bei gleicher Druckbeanspruchung wesentlich dünner sein als eine übliche Membrane nach Fig. 1. Sie wird vorteilhaft im Gesenk vorgepresst und hierauf in einer Spezialvorrichtung durch hydraulische Druckanwendung auf die ideale Form des Wulstes, die einem Halbkreis ähnlich ist, deformiert. Der dazu aufgewendete Druck ist höher als der je auf den fertigen Wandler einwirkende Druck, so dass sich der Stützbogenwulst 26 im Betrieb nicht mehr ver ändert, da er bereits die physikalisch bedingte ideale Formgebung hat.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 besitzt eine Membrane 34 aus wesentlich dickerem Material als beim Wandler nach Fig. 2. An der Stelle des Stützbogenwulstes 36 ist die Materialstärke durch Walzen oder Pressen wesentlich reduziert, so dass die notwendige Flexibilität wiederum gewährleistet ist. Diese Membranform ergibt schärfer definierte Abstützstellen 37 und 38 und eine günstige Spannungsverteilung. Durch Punkt- oder Ringbuckelschweissung 39 kann die Membrane 34 mit dem Stempel 32 verbunden werden. Zum Schutz gegen Verwerfung der Membrane 34 bei Temperaturstössen ist eine sehr dünne Schutzmembrane 40 auf die Dichtmembrane 34 aufgelegt. Diese kann mit sehr feinen Bohrungen 41 versehen sein.
Bei Auftreffen eines Temperaturstosses A t hebt sich die Temperaturschockmembrane 40 um die Strecke A s von der Dichtmembrane 34 ab ohne auf dieselbe eine zusätzliche mechanische Kraft auszu üben. Auf diese Weise kann der Einfluss eines Temperaturschockes auf die Dichtmembrane 34 auf ein Minimum reduziert werden. Im stationären Temperaturfeld liegt die Schutzmembrane 40 genau auf der Druckmembrane 34 auf. Sie kann mittels Schweissung 42 oder mit Schweisspunkten mit derselben verbunden sein oder kann auch mit bekannten mechanischen Mitteln 43 von der Peripherie her auf die Dichtmembrane 34 geklemmt werden.
Die Erfindung ermöglicht somit den Bau von Druckmesswandlern, bei welchen in der Dichtmembrane im wesentlichen lediglich Druckspannungen auftreten, wodurch sich die Lebensdauer bei harten dynamischen Stossbelastungen auf ein Mehrfaches gegenüber bisherigen Bauformen vergrössert. Die gegebenenfalls über die Druckmembrane gelegte, sehr dünne Temperaturschock membrane reduziert den Einfluss von Temperaturstössen auf die Druckmembrane und verhindert damit Fehlmessungen unter extremen Messbedingungen.
Pressure transducer and process for its manufacture
When building pressure transducers, the design of the membrane is of crucial importance.
As is well known, it has to cope with a five-fold task. a) It seals the inside of the transducer from the measuring medium. b) It overcomes uneven deformations of the converter housing compared to the central measuring part of the converter. c) It transfers the surface pressure acting from the outside proportionally to the central measuring stamp in each pressure area. d) It should be as insensitive as possible to hard dynamic pressure surges. ye) She should throw herself as little as possible in the event of temperature surges.
It can be seen that these various tasks cannot easily be brought into a perfect constructive solution. A well-known diaphragm shape, which is used by the vast majority of all transducers, uses an annular bead-like depression, the cross-section of which corresponds approximately to a chain line. This shape is well suited for most requirements, on the other hand it is not very suitable for permanent stress with hard dynamic impacts, since very dangerous tensile and bending stresses result at the sink points.
The invention now relates to a pressure transducer which ideally comes close to all of the requirements. The invention relates to a pressure transducer with a sealing membrane which is welded to the tubular transducer housing at its peripheral part and which rests with its central part on a pressure stamp located inside the transducer. The invention is characterized in that the sealing membrane arches over the annular space between the converter housing and the plunger in the form of a support arch-shaped bead against the medium pressure to be measured during operation. This has the great advantage that there are no tensile stresses but compressive stresses in the membrane, which, as is well known, result in a significantly more favorable long-term behavior.
The invention further relates to a method for producing a pressure transducer according to the invention. The method according to the invention is characterized in that the sealing membrane is pre-pressed from rolled sheet metal in the die and that the desired support arch-shaped bead is then produced in a special device by applying hydraulic pressure.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures, for example.
Show it:
1 shows a cross section through the diaphragm-side end of a commercially available pressure transducer,
2 shows a cross section through the membrane-side end of a pressure transducer according to the invention, and
3 shows a further cross section through the membrane-side end of a pressure transducer according to the invention.
According to FIG. 1, a commercially available pressure transducer consists essentially of the tubular transducer housing 1, the central pressure transmission stamp 2, in which piezoelectric, ohmic, capacitive or inductive measuring means can be installed. The annular space 3 is located between the housing 1 and the punch 2. The membrane 4 is connected to the body 1 by means of welding 5. It bridges the annular space 3 with an annular bead 6 with a semicircular or chain line-like cross-section in the bead section. In the event of strong pressure surges, dangerous tensile and bending stresses occur on the circular support parts 7 and 8, which often lead to diaphragm rupture under continuous stress.
The pressure medium causes the surface pressure p on the membrane, whereby a relative movement S occurs between the housing 1 and the measuring stamp 2. This movement must be absorbed by the elasticity of the annular bead 6, without the support points 7 and 8 shifting significantly, otherwise the transducer will have poor linearity.
The exemplary embodiment according to FIG. 2 of a pressure transducer according to the invention likewise has a tubular transducer housing 21 and a central pressure transmission ram 22; Piezoelectric, ohmic, capacitive or inductive measuring equipment can be built into the converter. The annular space 23 is located between the housing 21 and the punch 22. The membrane 24, which is as thin as possible, is firmly connected to the housing 21 by means of welding 25.
The membrane 24 bridges the annular space 23 in the form of a supporting arch-like annular bead 26 with, for example, a semicircular cross-sectional shape. The medium pressure p causes compressive stresses at all points of the annular bead 26, which are supported at points 27 and 28. The supporting force P can be divided into the two components A and B. It is advantageous if the angle cc is between 450 and 600 so that thrust B and bearing pressure A are approximately the same. On the circular line 27, the support angle p will be in similar r sizes, depending on the ratio. This on
R location points also do not change their position when relative movements S between body 21 and punch 22 result. In addition, the fatigue strength of normal membrane materials is significantly higher under compressive stress than under tensile stress.
The embodiment according to the invention therefore results in a service life that is several times longer, as detailed tests have shown. The membrane 24 is expediently kept as thin as possible. It can be much thinner than a conventional membrane according to FIG. 1 with the same pressure load. It is advantageously pre-pressed in the die and then deformed in a special device by applying hydraulic pressure to the ideal shape of the bead, which is similar to a semicircle. The pressure used for this is higher than the pressure that has ever acted on the finished transducer, so that the supporting arch bead 26 no longer changes during operation, since it already has the ideal physical shape.
The embodiment according to FIG. 3 has a membrane 34 made of a much thicker material than in the converter according to FIG. 2. At the location of the supporting arch bead 36, the material thickness is substantially reduced by rolling or pressing, so that the necessary flexibility is again ensured. This membrane shape results in more sharply defined support points 37 and 38 and a favorable stress distribution. The membrane 34 can be connected to the punch 32 by point or annular projection welding 39. A very thin protective membrane 40 is placed on the sealing membrane 34 to protect against warping of the membrane 34 in the event of temperature surges. This can be provided with very fine bores 41.
When a temperature shock A t occurs, the temperature shock membrane 40 lifts up by the distance A s from the sealing membrane 34 without exerting an additional mechanical force on the same. In this way, the influence of a temperature shock on the sealing membrane 34 can be reduced to a minimum. In the stationary temperature field, the protective membrane 40 lies exactly on the pressure membrane 34. It can be connected to the same by means of welding 42 or with weld points, or it can also be clamped onto the sealing membrane 34 from the periphery using known mechanical means 43.
The invention thus enables the construction of pressure transducers in which essentially only compressive stresses occur in the sealing membrane, whereby the service life under hard dynamic impact loads is increased several times over compared to previous designs. The very thin temperature shock membrane, which may be placed over the pressure membrane, reduces the influence of temperature surges on the pressure membrane and thus prevents incorrect measurements under extreme measuring conditions.