CH436773A - Membrankörper in Druckmesswandler - Google Patents

Membrankörper in Druckmesswandler

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CH436773A
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CH
Switzerland
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membrane
diaphragm
tensioning
transducer
pressure
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Application number
CH687465A
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English (en)
Inventor
Conrad Dipl-Ing Sonderegg Hans
Original Assignee
Kistler Instrumente Ag
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0044Constructional details of non-semiconductive diaphragms

Description


  
 



  Membrankörper in Druckmesswandler
Bei der Konstruktion von Druckmesswandlern kommt der Gestaltung der Membrane ausschlaggebende Bedeutung zu. Bekanntlich dient die Membrane in erster Linie zur Trennung des Messmediums vom Apparateteil des Messwandlers. Dazu kann der Messwandler entweder nach dem ohmschen, kapazitiven, induktiven oder piezoelektrischen Prinzip gebaut sein. In allen Fällen ist es aus physikalischen Gegebenheiten notwendig, die Messteile einwandfrei vom Messmedium, seien es Gase, Flüssigkeiten oder feste Körper, zu trennen.



   In vielen Bauarten von Druckmesswandlern kommt der Membrane nicht nur die erste Aufgabe der Trennung, sondern auch eine zweite der Kraftumsetzung zu.



  Dazu wird eine flächenförmig verteilte Kraft z. B. eines Flüssigkeitsdruckes in eine punktförmig wirkende Einzelkraft umgesetzt. Bei dieser Umsetzung ist es dann wichtig, dass ein bestimmter Zusammenhang zwischen Flächenkraft und   Einzeikraft    über einen möglichst gro ssen   Druck- und    Kraftbereich konstant und repetierbar bleibt.



   Zu dieser zweiten Aufgabe kommt bei vielen Messwandler-Bauarten noch eine dritte hinzu, nämlich die der mechanischen   Über- oder    Untersetzung der Kraftverhältnisse.



   Die Erfindung bezieht sich auf eine Membranform der letzten Art, wo alle drei Aufgaben in sich vereinigt sind, diejenige der Trennung des Messmediums vom Messteil, der Umsetzung von Flächenkräften in Einzelkräfte und der mechanischen Verstärkung. Dabei wird auf die Konstanz der Kraftmessung sowie auf die Konstanz der mechanischen Verstärkung ein aussergewöhnlich hoher Wert gelegt, da es sich bei dem Druckmesswandler um ein Messinstrument von hoher Präzision handelt, das hauptsächlich für die Messung niederer Druckwerte Anwendung findet.



   Der Stand der Technik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand nachstehender Figuren er  läutert:   
Fig. 1 zeigt schematisch einen Druckmesswandler mit bekannter gewellter Membrane im Querschnitt.



   Fig. 1 a zeigt das Belastungsdiagramm der Membrane von Fig. 1.



   Fig. 2 zeigt schematisch einen Druckmesswandler mit bekannter Konusmembrane.



   Fig. 2a zeigt das Belastungsdiagramm der Membrane nach Fig. 2.



   Fig. 3 zeigt schematisch einen Druckmesswandler mit erfindungsgemässer Membrane.



   Fig. 4 zeigt die beiden Einzelteile der erfindungsgemässen Membrane vor der Verbindung derselben.



   Fig. 5 zeigt die eingebaute Membrane.



   Fig. 6 zeigt das Belastungsdiagramm der Membrane nach Fig. 3, 4, 5.



   Fig. 7 zeigt den Verlauf des Verstärkungswirkungsgrades über einen grösseren Druckbereich.



   Fig. 8 zeigt eine Deckplatte zu einer erfindungsgemässen Membrane mit eingepressten Vertiefungen.



   Entsprechend Fig. 1 besteht ein handelsüblicher   Druckmesswandler prinzipiell aus s dem Gehäuse 1, der    gewellten Membrane 2, dem   Kraftmesssystem    3 und dem elektrischen Anschluss 4. Die Membrane 2, üblicherweise aus Blech mit ringförmigen Wellungen ausgestanzt, ist mit dem Gehäuse 1 dicht verbunden und liegt in der Mitte ebenfalls fest verbunden auf dem elektrischen   Kraftmesssystem    auf. Fig. la zeigt das Belastungsdiagramm der Membrane, welche unter der Flächenkraft p die Deformationslinie 5 ergibt.

   Die resultierende Einzelmesskraft Peff. entspricht der einfachen Beziehung:    P=pd2j    .
4
Die theoretische Flächenkraft Ptheor. wäre:    Peff. = p D2w   
4  
Diese Kraft würde erreicht, wenn anstelle der Wellenmembrane ein genau eingepasster Kolben mit Durchmesser   Dwa    ins Wandlergehäuse eingebaut würde. Dies hätte jedoch viel zu grosse Masse und hohe Reibung zur Folge, was sich auf Eigenfrequenz und Hysteresis des Messwandlers nachteilig auswirken würde.



   Der Verstärkungsgrad   flv    ergibt sich aus dem Verhältnis:
EMI2.1     


<tb> g <SEP> = <SEP> Peff. <SEP> = <SEP> F <SEP> dwi. <SEP> 12
<tb>  <SEP> Ptheor. <SEP> L <SEP> Dw
<tb>  wobei   77v    für den erwähnten eingepassten Kolben = 1,0 wäre.



   Der Verstärkungsgrad
EMI2.2     
 einer solchen Membrane kann etwa 0,5 % betragen, je nach Einspann- und Abstützverhältnissen.



   Der Hauptnachteil dieser Konstruktion liegt jedoch in der Tatsache, dass der Verstärkungsgrad   wv    infolge der Deformation der Membrane nur in einem kleinen Teil des möglichen Druckbereiches linear und parallel zur X-Achse verläuft, wie in Linie 78 der Fig. 7 gezeigt. Dies bringt Unlinearität des Messwandlers als Folge. Linie 79 zeigt den Idealverlauf, wie dies einem eingepassten Kolben entspricht.



     Ähnliche    Schwierigkeiten treten mit einer Membranform nach Fig. 2 auf. Diese konische Form wird im Bau von Lautsprechern weitgehend verwendet. Der Messwertgeber besteht wiederum aus dem Körper 21, dem Kraftmesselement 23 mit dem elektrischen AnschIuss 24. Die konisch gepresste Membrane 25 ist durch Schweissung 26 mit dem Gebergehäuse verbunden, anderseits aber auch im Zentrum 27 mit der Deckplatte des Kraftmesselementes 23. Der Verstärkungsgrad einer   eol-    chen Membrane ist wesentlich besser als derjenige nach Fig. 1, da der wirksame Durchmesser   dwi    durch die Vertiefung der konischen Form wesentlich grösser wird.



  Durch die Deformation jedoch, welche eine Vergrösserung des Öffnungswinkels a zu   a' ergibt,    ist aber nach wie vor eine Veränderung des Verstärkungsgrades   flv    über einen grösseren Druckbereich festzustellen, wie dies Linie 77 auf Fig. 7 andeutet.



   Eine bedeutende Verbesserung bringt nun aber eine der Erfindung entsprechende Membrankonstruktion.



  Gemäss Fig. 3 besteht der Messwandler wiederum aus dem Körper 31, dem Kraftmesselement 33, der Kompensationsmembrane 32, die aus dem Stützkonus 34 und der Spannmembrane 35 besteht, welche ihrerseits an der kreisringförmigen Partie 36 fest mit dem Körper 31 verbunden ist. An der Stelle 37 ist die Membrane mit der Druckplatte der Kraftmesszelle 33 verbunden. Fig. 4 zeigt die Zusammensetzung der Kompensationsmembrane, die aus der gepressten Spannmembrane 41 und dem konisch geformten Stützring 42 besteht, der an der Flanschpartie 43 mit der Spannmembrane 41 fest verbunden wird. Dadurch entsteht ein kreisringförmiger Tragkörper entsprechend Fig. 5, der sich durch aussergewöhnliche Steifheit auszeichnet. In Fig. 6 sind die Kraftverhältnisse einer solchen Membrane gezeigt.



  Durch Variation der Pfeilhöhe 64 können die radialen Spannkräfte 65 beeinflusst werden, die sich mit den Stützkräften 66 im Gleichgewicht befinden. Durch zusätzliche Veränderung des   Winkels,    kann erreicht werden, dass der Anlenkpunkt 67 sich entweder in Richtung   0+    oder   G    bewegt, wodurch eine Verkleinerung oder Vergrösserung des Durchmessers   dwi    verbunden ist.



   Mit diesen konstruktiven Massnahmen kann nun aber erreicht werden, dass der Verstärkungsgrad der Membrane über einen sehr weiten Druckbereich entsprechend Linie 76 (Fig. 7) konstant bleibt.



   Es ist aber auch möglich, durch Veränderung dieser Varianten einen leicht ansteigenden oder absinkenden Verlauf des Verstärkungsgrades entsprechend Linien 72 und 73 der Fig. 7 zu erreichen.



   Die Erfindung ermöglicht somit eine Membrankonstruktion, die sich auszeichnet durch Steifheit und geringes Gewicht und die durch die geometrische Formgestaltung den Einfluss der mit zunehmendem Druck unvermeidlichen Deformation selbst korrigiert und kompensiert und damit über weite Druckbereiche völlig lineare Verhältnisse zwischen Druck und Kraft gewährleistet. Bei Verwendung von Pressstücken wird die Membrane zudem ausserordentlich leicht, was für die   B eschleunigungsempfindlichkeit    des Wandlers von gro sser Bedeutung ist. Damit die Spannmembrane 35 nicht in niederfrequente   Schwingungszustände    kommen kann, ist es vorteilhaft, den Raum zwischen derselben und der Stützmembrane 42 mit einem Schaumstoff 38 auszufüllen.

   Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Eigenfrequenz der Spannmembrane 85 besteht entsprechend Fig. 8 darin, dass radiale Versteifungsrippen 86 in dieselbe eingepresst werden.



   Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Hohlraum zwischen der Stützmembrane 34 und der Spannmembrane 35 mit einem Schaumkunststoff 38 auszuspritzen; damit wird eine einwandfreie Dämpfung gegen Eigenschwingungen der Spann- und Stützmembrane erreicht.



   Die Erfindung ermöglicht somit den Bau von Druckmesswandlern, die sich insbesondere für die Messung sehr niedriger Druckwerte eignen, da die Kompensationsmembrane einen sehr grossen Verstärkungsfaktor ergibt. Diese Messwandler können anderseits aber auch über sehr weiten Druckbereichen Verwendung finden, wobei sie eine hervorragende Linearität zwischen dem zu messenden Druck und der resultierenden Messkraft auf der Messzelle ergeben.   

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Membrankörper in Druckmesswandler, welcher aus einem Wandlerkörper und einem zentral angeordneten Kraftmesselement besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Membrankörper als Kompensationsmembrane ausgebildet ist und aus einer konischen Stützmembrane (34) und einer entsprechend vorgepressten Spannmembrane (35) besteht, die am Flansch (43) der Stützmembrane (34) miteinander fest verbunden sind, wobei die Spannmembrane gleichzeitig als Dichtmembrane ausgebildet ist und am Aussendurchmesser mit dem Gehäuse (31) abdichtend verbunden ist und ferner die Stützmembrane (34) mit der Druckplatte (37) der Kraftmesszelle (33) verbunden ist.
    UNTERANSPRÜCHE 1. Membrankörper nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmembrane (41) aus dünnem gepresstem Blech besteht und in der Mitte eine parabelförmige Einsenkung mit bestimmter Pfeilhöhe (44) aufweist, welche in den Ringwulst (45) und die Flanschpartie (46) übergeht, wobei die Spannmembrane mit der konischen Stützmembrane (42) an der Flanschpartie (43) durch Schweissung oder Hartlötung verbunden ist.
    2. Membrankörper nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmembrane (85) im eingesenkten Mittelteil radial verlaufend eingepresste Rippen (86) aufweist.
    3. Membrankörper nach Patentanspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum zwischen Stützmembrane (34) und Spannmembrane (35) mit einem Kunststoffschaum (38) ganz oder teilweise ausgefüllt ist.
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