Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Ermittlung der Änderung der mechanischen Schwingungsfrequenz eines in Eigenschwingung versetzbaren, einseitig geschlossenen hohlzylindrischen Schwingungskörpers, dessen Inneres vom Medium druckbeaufschlagt ist. Der hohlzylindrische Schwingungskörper bildet dabei einen Teil eines magnetischen Kreises, dem eine Induktionsspule und eine Erregerspule zugeordnet sind.
Vorrichtungen, bei welchen die Abhängigkeit einer magnetisch erregbaren Eigenschwingungsfrequenz eines druckbeaufschlagten Hohlkörpers zur Ermittlung des Druckes herangezogen wird, sind bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht unter anderem darin, eine Druckmessvorrichtung mit möglichst geringem Aufwand in kompakter Bauweise so zu gestalten, dass sie für die Messung hoher Drücke geeignet ist und zusätzlich auftretende hohe Druckstösse den Hohlkörper nicht bleibend deformieren.
Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungskörper ein Rohr ist, dessen Länge ein Vielfaches seines Durchmessers beträgt, und die übrigen Teile des magnetischen Kreises ausserhalb des Rohres unter Zwischenanordnung mindestens eines Luftspaltes angeordnet sind, derart, dass die in Ruhezustand geradlinige Längsachse des Rohres in Biegeschwingungen erregbar ist.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, welch letztere rein beispielsweise eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt.
Fig. 1 zeigt den mechanischen Teil einer Druckmessvorrichtung im Längsschnitt und
Fig. 2 ist ein Blockschema der elektronischen Schaltung der Druckmessvorrichtung.
Gemäss Fig. 1 ist in einem Verbindungsstück 11 als druckbeaufschlagter hohlzylindrischer Schwingungskörper ein aus ferromagnetischem Material gefertigtes Kapillarrohr 12 eingesetzt, dessen freie Länge ein Vielfaches seines Durchmessers beträgt. Das Kapillarrohr 12 ist an seinem im Verbindungsstück festgemachten Ende 13 offen und am anderen Ende 14 geschlossen. Das offene Ende 13 steht mit einem Filter 15 in Verbindung, das in einer konusförmigen Ausnehmung eines Gewindezapfens 16 des Verbindungsstückes 11 eingebaut ist.
Konzentrisch um das Kapillarrohr 12, das einen Teil eines magnetischen Kreises bildet, ist auf das Verbindungsstück 11 eine zylindrische Hülse 17 aufgesetzt, deren Querschnitt ein Vielfaches desjenigen des Kapillarrohres 12 beträgt. Durch einen Luftspalt 18 vom geschlossenen Ende 14 des Kapillarrohres 12 getrennt, liegt in der Achse des Kapillarrohres 12 als Polstück ein Permanentmagnet 19. Der gegen das geschlossene Ende 14 des Kapillarrohres 12 gerichtete Pol des Permanentmagneten 19 ist kegelstumpfförmig zugespitzt. Das andere Ende des Permanentmagenten 19 ist an einem Joch 20 befestigt, das im Innern der Hülse 17 mit derselben verbunden ist. Das Verbindungsstück 11, die Hülse 17 und das Joch 20 sind aus ferromagnetischem Material gefertigt. Zusammen mit dem Permanentmagneten 19 schliessen diese Teile den magnetischen Kreis ausserhalb des Kapillarrohres 12.
Auf einem innerhalb der Hülse 17 konzentrisch um das Kapillarrohr 12 angeordneten zylindrischen Spulenträger 21 sind die Wicklungen einer Induktionsspule 22 und einer Erregerspule 23 aufgewickelt. Die Induktionsspule ist in der Nähe des Luftspaltes 18 angeordnet und die Erregerspule 23 in der Nähe des Verbindungsstückes 11. Der Durchmesser des Spulenträgers 21 ist so gross, dass die im Ruhezustand geradlinige Längsachse des Kapillarrohres 12 unbehinderte Biegeschwingungen mit kleiner Amplitude ausführen kann. Im Innern der Hülse 17 an den voneinander abgekehrten Enden der Induk tionsspule 22 und der Erregerspule 23 sind kreisringförmige gedruckte Leiterplatten 24 und 25 auf den Spulenträger 21 aufgesetzt. Auf und zwischen diesen beiden Leiterplatten 24 und 25 sind die Bauelemente 26 einer elektronischen Schaltung angeordnet.
In das dem Verbindungsstück 11 entgegengesetzte Ende der Hülse 7 ist eine Steckerfassung 27 eingesetzt, zu welcher die elektrischen Speisespannungs und Ausgangsanschlussleiter 28 der elektronischen Schaltung geführt sind.
Gemäss Fig. 2 ist in der mit gestrichelten Linien versinnbildlichten Hülse 17 eine elektronische Schaltung 29 untergebracht. Die elektronische Schaltung 29 weist einen Vorverstärker 30, einen Amplitudenbegrenzer 31 und einen Ausgangsverstärker 32 auf und ist mit der Induktionsspule 22 und der Erregerspule 23 zu einem selbstschwingenden System gekoppelt, dessen frequenzbestimmendes Element das Kapillarrohr 12 ist. Die Ruhelage 33 und die Extremlagen 34 und 35 der Längsachse des Kapillarrohres 12 sind strichpunktiert eingezeichnet. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 32 ist auf die Steckerfassung 27 geführt, an welcher ein Frequenzdiskriminator 36 angeschlossen ist, dessen frequenzabhängige Ausgangsspannung einem in Druckeinheiten geeichten elektrischen Anzeigeinstrument 37 zugeführt ist.
Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Druckmessvorrichtung ist wie folgt: Bewegt sich das geschlossene Ende 14 des Kapillarrohres 12 infolge irgend einer Störung, die beispielsweise ein Einschaltstromstoss oder ein Druckstoss auf das magnetisch bzw. mechanisch nicht exakt symmetrisch ausgebildete System sein kann, aus seiner Ruhelage 33, so ändert sich der magnetische Widerstand des Luftspaltes 18 und folglich auch der magnetische Fluss im gesamten magnetischen Kreis. Durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses wird in den Spulen 22 und 23 eine ihren Windungszahlen proportionale elektrische Spannung induziert.
Die in der Induktionsspule 22 induzierte Spannung wird mittels der elektronischen Schaltung 29 auf einen begrenzten Wert verstärkt und der Erregerspule 23 so zugeführt dass durch die magnetische Wirkung der Erregerspule 23 auf das Kapillarrohr 12 ein Biegemoment ausgeübt wird, dass sich zu jenem, das von der ursprünglichen Störung herrührt, addiert und eine stärkere Biegung des Kapillarrohres 12 verursacht. Übersteigt das von den elastischen Eigenschaften des Kapillarrohres 12 herrührende Reaktionsmom. nt das antreibende Biegemoment, so kehrt die Bewegungsrichtung des geschlossenen Endes 14 des Kapillarrrohres 12 um. Dementsprechend ändert sich auch der magnetische Fluss in der Induktionsspule in entgegengesetzte Richtung, was mit einer Umkehrung der Richtung der induzierten Spannung und des antreibenden Biegemomentes verbunden ist.
Das derart angestossene und angeregte Kapillarrohr 12 führt nun eine fortdauernde Biegeschwingung aus, die bei kleinen Schwingungsamplituden als zeitlich sinusförmig angenommen werden darf. Die Frequenz der Biegeschwingung stimmt mit einer Eigenfrequenz des einseitig eingespannten Kapillarrohres 12 überein. Die Schwingbedingung ist erfüllt. wenn die Verstärkung der elektronischen Schaltung 29 grösser ist als die Summe der den restlichen Teilen der Schaltung und dem Kapillarrohr 12 innewohnenden Dämpfungen. Damit durch die Biegeschwingung die Elastizitätsgrenze des Kapillarrohr-Materials nicht erreicht wird, und eine festgelegte Amplitudengrösse nicht überschritten wird, ist in der elektronischen Schaltung 29 der Amplitudenbegrenzer 31 zwischen den Vorverstärker 30 und den Ausgangsverstärker 32 geschaltet.
Wird das Innere des Kapillarrohres 12 mit einem Medium druckbeaufschlagt, dessen Druck höher ist als der ursprüngliche Druck im Kapillarrohr 12, dann nehmen die Steifigkeit bzw. Federkonstante des Kapillarrohres 12 und seine Schwingungsfrequenz zu. Die Frequenzänderung kann folglich als Mass für den im Innern dees Kapillarrohres 12 herrschenden Druck herangezogen werden. Die in der elektronischen Schaltung 29 verstärkten Spannungen sind Wechselspannungen, deren Frequenz doppelt so gross ist wie jene der mechanischen Biegeschwingung des Kapillarrohres 12.
Der gemäss Fig. 2 mit dem Ausgang des Ausgangsverstärkers 32 verbundene Frequenzdiskriminator 36 erzeugt bei nicht zu grossen Frequenzänderungen eine zur elektrischen Frequenz proportionale Gleichspan Ilung, die von dem in Druckeinheiten geeichten Anzeigeinstrument 37 angezeigt wird. Übersteigt die Frequenz änderung einen durch die Dimensionierung des Frequenzdiskriminators 36 festgelegten Wert, so nimmt die frequenzabhängige Gleichspannung in geringerem Mass zu als ursprünglich und wird bei weiter steigender Frequenzänderung schliesslich konstant.
Die durch die Druckbeaufschlagung bewirkte Änderung der elektrischen Frequenz der Vorrichtung kann gewünschtenfalls zur automatischen Steuerung oder Regelung eines Vorganges herangezogen werden.
Die beschriebene Vorrichtung weist gegenüber bekannten Druckmessvorrichtungen der gleichen Gattung beträchtliche Vorteile auf: Da Rohre mit gleicher Wandstärke, die unter konstantem Innendruck stehen, umso weniger beansprucht werden, je kleiner ihr Innendurchmesser ist, so ist das mit einfachen Mitteln zu Biegeschwingungen anregbare Kapillarrohr 12 hervorragend zur Messung hoher Drücke geeinget. Da die Druckabhängigkeit der Schwingungsfrequenz verhältnismässig ausgeprägt ist. ist die Messempfindlichkeit hoch. Das schwingende Kapillarrohr 12 wird daher weit unterhalb der Elastizitätsgrenze seines Materials beansprucht, was eine hohe Unempfindlichkeit gegen Überlast gewährleistet. Das bedeutet, auch bei grosser Überlast treten kaum bleibende Deformationen des Messystems auf. Die Reproduzierbarkeit der Messresultate bleibt daher erhalten.
Infolge der nichtlinearen Charakteristik des Frequenzdiskriminators 36 ist auch das Anzeigeinstrument 37 gegen dauernde Überlast geschützt. Ferner sind sowohl der mechanische Teil als auch die elektronische Schaltung 29 einfach im Aufbau, und die von der Hülse 17 und dem Verbindungsstück 11 umschlossene Vorrichtung ist verhältnismässig kompakt.
Device for measuring the pressure of a gaseous or liquid medium
The subject of the present invention is a device for measuring the pressure of a gaseous or liquid medium by determining the change in the mechanical oscillation frequency of a self-oscillating, unilaterally closed hollow cylindrical oscillating body, the interior of which is pressurized by the medium. The hollow cylindrical vibration body forms part of a magnetic circuit to which an induction coil and an excitation coil are assigned.
Devices in which the dependence of a magnetically excitable natural oscillation frequency of a pressurized hollow body is used to determine the pressure are known.
The object of the present invention is, inter alia, to design a pressure measuring device with as little effort as possible in a compact design so that it is suitable for measuring high pressures and additionally occurring high pressure surges do not permanently deform the hollow body.
According to the invention, the device is characterized in that the vibrating body is a tube, the length of which is a multiple of its diameter, and the remaining parts of the magnetic circuit are arranged outside the tube with at least one air gap in between, such that the straight longitudinal axis of the tube in the idle state can be excited in bending vibrations.
Further details emerge from the following description and the drawing, the latter representing, purely by way of example, an embodiment of the device according to the invention.
Fig. 1 shows the mechanical part of a pressure measuring device in longitudinal section and
Figure 2 is a block diagram of the electronic circuitry of the pressure measuring device.
According to FIG. 1, a capillary tube 12 made of ferromagnetic material, the free length of which is a multiple of its diameter, is inserted in a connection piece 11 as a pressurized hollow cylindrical vibration body. The capillary tube 12 is open at its end 13 fixed in the connecting piece and closed at the other end 14. The open end 13 is connected to a filter 15 which is installed in a conical recess in a threaded pin 16 of the connecting piece 11.
Concentrically around the capillary tube 12, which forms part of a magnetic circuit, a cylindrical sleeve 17 is placed on the connecting piece 11, the cross section of which is a multiple of that of the capillary tube 12. Separated by an air gap 18 from the closed end 14 of the capillary tube 12, a permanent magnet 19 is located in the axis of the capillary tube 12 as a pole piece. The pole of the permanent magnet 19 directed towards the closed end 14 of the capillary tube 12 is frustoconical. The other end of the permanent magnet 19 is attached to a yoke 20 which is connected to the inside of the sleeve 17 with the same. The connecting piece 11, the sleeve 17 and the yoke 20 are made of ferromagnetic material. Together with the permanent magnet 19, these parts close the magnetic circuit outside the capillary tube 12.
The windings of an induction coil 22 and an excitation coil 23 are wound on a cylindrical coil carrier 21 arranged concentrically around the capillary tube 12 within the sleeve 17. The induction coil is arranged in the vicinity of the air gap 18 and the excitation coil 23 in the vicinity of the connecting piece 11. The diameter of the coil carrier 21 is so large that the straight longitudinal axis of the capillary tube 12, which is straight in the idle state, can execute unimpeded bending vibrations with a small amplitude. Inside the sleeve 17 at the opposite ends of the induction coil 22 and the excitation coil 23 circular printed circuit boards 24 and 25 are placed on the coil carrier 21. The components 26 of an electronic circuit are arranged on and between these two circuit boards 24 and 25.
In the end of the sleeve 7 opposite the connecting piece 11, a plug socket 27 is inserted, to which the electrical supply voltage and output connection conductors 28 of the electronic circuit are led.
According to FIG. 2, an electronic circuit 29 is accommodated in the sleeve 17 symbolized by dashed lines. The electronic circuit 29 has a preamplifier 30, an amplitude limiter 31 and an output amplifier 32 and is coupled to the induction coil 22 and the excitation coil 23 to form a self-oscillating system, the frequency-determining element of which is the capillary tube 12. The rest position 33 and the extreme positions 34 and 35 of the longitudinal axis of the capillary tube 12 are shown in dash-dotted lines. The output of the output amplifier 32 is routed to the connector socket 27 to which a frequency discriminator 36 is connected, the frequency-dependent output voltage of which is fed to an electrical display instrument 37 calibrated in pressure units.
The method of use and operation of the pressure measuring device described is as follows: If the closed end 14 of the capillary tube 12 moves out of its rest position as a result of some disturbance, which can be, for example, a switch-on current surge or a pressure surge on the magnetically or mechanically not exactly symmetrical system 33, the magnetic resistance of the air gap 18 changes and consequently also the magnetic flux in the entire magnetic circuit. As a result of the change in the magnetic flux over time, an electrical voltage proportional to the number of turns is induced in the coils 22 and 23.
The voltage induced in the induction coil 22 is amplified to a limited value by means of the electronic circuit 29 and fed to the excitation coil 23 in such a way that a bending moment is exerted on the capillary tube 12 by the magnetic effect of the excitation coil 23 that changes to that of the original Disturbance originates, adds and causes a greater bending of the capillary tube 12. Exceeds the reaction torque resulting from the elastic properties of the capillary tube 12. nt the driving bending moment, the direction of movement of the closed end 14 of the capillary tube 12 reverses. Correspondingly, the magnetic flux in the induction coil also changes in the opposite direction, which is associated with a reversal of the direction of the induced voltage and the driving bending moment.
The capillary tube 12 that has been struck and excited in this way now carries out a continuous flexural oscillation which, given small oscillation amplitudes, can be assumed to be sinusoidal over time. The frequency of the flexural vibration corresponds to a natural frequency of the capillary tube 12 clamped on one side. The oscillation condition is fulfilled. when the gain of the electronic circuit 29 is greater than the sum of the attenuations inherent in the remaining parts of the circuit and the capillary tube 12. So that the elastic limit of the capillary tube material is not reached by the flexural vibration and a defined amplitude is not exceeded, the amplitude limiter 31 is connected between the preamplifier 30 and the output amplifier 32 in the electronic circuit 29.
If the interior of the capillary tube 12 is pressurized with a medium, the pressure of which is higher than the original pressure in the capillary tube 12, then the rigidity or spring constant of the capillary tube 12 and its oscillation frequency increase. The frequency change can consequently be used as a measure of the pressure prevailing inside dees capillary tube 12. The voltages amplified in the electronic circuit 29 are alternating voltages, the frequency of which is twice as great as that of the mechanical flexural vibration of the capillary tube 12.
The frequency discriminator 36 connected to the output of the output amplifier 32 according to FIG. 2 generates a DC voltage proportional to the electrical frequency, which is displayed by the display instrument 37 calibrated in pressure units, if the frequency changes are not too great. If the change in frequency exceeds a value determined by the dimensioning of the frequency discriminator 36, the frequency-dependent direct voltage increases to a lesser extent than originally and ultimately becomes constant as the frequency change continues to increase.
The change in the electrical frequency of the device caused by the application of pressure can, if desired, be used for automatic control or regulation of a process.
The device described has considerable advantages over known pressure measuring devices of the same type: Since tubes with the same wall thickness, which are under constant internal pressure, are less stressed the smaller their inside diameter, the capillary tube 12, which can be excited to flexural vibrations with simple means, is excellent for Measurement of high pressures is suitable. Since the pressure dependency of the oscillation frequency is relatively pronounced. the measurement sensitivity is high. The oscillating capillary tube 12 is therefore stressed far below the elastic limit of its material, which ensures a high degree of insensitivity to overload. This means that even in the event of a major overload, there is hardly any permanent deformation of the measuring system. The reproducibility of the measurement results is therefore retained.
As a result of the non-linear characteristic of the frequency discriminator 36, the display instrument 37 is also protected against permanent overload. Furthermore, both the mechanical part and the electronic circuit 29 are simple in construction, and the device enclosed by the sleeve 17 and the connecting piece 11 is relatively compact.