DE102009005134A1

DE102009005134A1 - Druckfühlereinrichtung für eine explosive oder korrosive Atmosphäre

Info

Publication number: DE102009005134A1
Application number: DE102009005134A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Nitecki
Original assignee: Tokheim Holding BV
Current assignee: Tokheim Holding BV
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: FR2926883B1; FR2926883A1; GB2456865A; GB2456865B; US20090249881A1; GB0900495D0; SE0950022L; DE102009005134B4; US7779697B2; CN101493102A; CN101493102B; SE533069C2

Abstract

Druckfühlereinrichtung, insbesondere für einen Strömungsmesser wie einen Fluid-Oszillator, wobei diese Einrichtung eine Druckmessöffnung (3), die derart mit einem Messkreis (4) verbunden ist, dass akustische Signale auf eine Messmembran (1) übertragen werden, die in einem Messhohlraum (2) angebracht ist, einen Verformungssensor (5), der auf die Verformungen dieser Membran reagiert und sie in elektrische Signale umwandeln kann, und einen elektronischen Verstärker, der mit diesem Verformungssensor (5) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis (4) Korrosionsschutzelemente und Explosionsschutzelemente (7, 8, 9) sowie Filterelemente (9, 10; 11, 12; 13, 2) der akustischen Signale umfasst, so dass die Störfrequenzen dieser Signale beseitigt werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckfühler für eine explosive oder korrosive Atmosphäre.
Ein solcher Druckfühler ist insbesondere für einen Strömungsmesser für Flüssigkeiten oder Dampf, wie ein Fluid-Oszillator, bestimmt, doch er kann auch für andere Arten von Druckfühlern, einschließlich akustische, wie in Mikrofonen, verwendet werden.
Ein statischer Fluid-Oszillator, wie er im Rahmen der Erfindung berücksichtigt wird, ist beispielsweise in dem Dokument FR 2 746 147 A beschrieben.
In einem solchen Strömungsmesser fließt das flüssige oder gasförmige Medium (Fluid) durch einen geschlossenen Raum oder eine Kammer, in dem bzw. in der es in Turbulenz gerät und periodische Druckschwingungen erzeugt, deren Frequenz proportional zu der Durchsatzleistung dieses Fluids ist.
Diese Druckschwingungen sind weitgehend mit den Phänomenen vergleichbar, die in einem Musikinstrument hervorgerufen werden, insbesondere in einem Blasinstrument.
In einem solchen Instrument erzeugt nämlich der Spieler durch seinen Atemzug akustische Signale, die für die Veränderungen in der Durchsatzleistung und im Druck repräsentativ sind.
Diese Signale mit hörbarer Frequenz und hoher Amplitude besitzen eine komplexe Form, die sich aus der Addition einer grundlegend reinen Frequenz und zahlreicher Oberschwingungen ergibt.
Sie können von dem Spieler dank seines Gehörs automatisch angepasst werden, indem er den Durchsatz und den Druck seines Atems so steuert, dass er die gewünschten akustischen Frequenzen erhält.
Es wird ein Strömungsmesser, wie ein statischer Fluid-Oszillator, entwickelt, so dass man in dem geschlossenen Raum oder in der Kammer periodische Druckschwingungen erhält, deren Frequenz so genau wie möglich proportional zu der Durchsatzleistung des Fluids ist, das durch ihn bzw. durch sie hindurchfließt, und zwar über einen großen Frequenzbereich.
Infolgedessen kann die Menge des Fluids, das durch den Oszillator fließt, durch die Messung und Auswertung der diese periodischen Druckschwankungen repräsentierenden Signale bestimmt werden.
Um die Messung einer solchen Durchsatzleistung oder Menge durchzuführen, wurde bereits vorgeschlagen, den Fluid-Oszillator mit erwärmten Temperatursonden auszustatten.
Das Fluid, das durch den Oszillator fließt, kühlt nämlich diese Temperatursonden proportional zu seiner Geschwindigkeit ab, und folglich lässt sich mit der Messung der Temperatur die angestrebte Durchsatzleistung bestimmen.
Doch eine solche Messung ist nur bei Flüssigkeiten und nicht bei Gas möglich, da die thermischen Schwankungen in dem Fall zu gering sind.
Um diesen Nachteil zu beseitigen und sowohl Flüssigkeitsmengen als auch Mengen gasförmiger Stoffe messen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, die Fluid-Oszillatoren mit Druckfühlern, und insbesondere mit Differenzdruckfühlern, auszustatten, die zu beiden Seiten ihres Eingangs angeordnet sind.
Solche Druckfühler besitzen in herkömmlicher Art und Weise:

– eine Druckmessöffnung, die derart mit einem Messkreis verbunden ist, dass akustische Signale, die für die zu messenden Druckschwankungen repräsentativ sind, auf eine Messmembran übertragen werden, insbesondere eine Metallmembran, die in einem Messhohlraum angebracht ist, und sich unter der Wirkung von akustischen Signalen, die ihr zugeführt werden, verformt,
– einen Verformungssensor, der auf diese mechanischen Verformungen reagiert und sie in elektrische Signale umwandeln kann, und
– Einrichtungen zur elektronischen Verarbeitung elektrischer Signale, insbesondere einen elektronischen Verstärker, der mit diesem Verformungssensor verbunden ist.

Bei einem solchen Druckfühler ist eine der Seiten der Messmembran frei von jeglichen Elementen, die durch Fluide gestört werden könnten, welche sie berühren; die zweite Seite dieser Membran ist dagegen mit elektrischen Bauteilen ausgestattet, durch die elektrischer Strom fließt, und die somit für jeglichen Kontakt mit explosiven oder chemisch aggressiven Produkten inkompatibel sind.
Ein solcher Druckfühler kann also als relativer Druckfühler zur Messung des Druckes verwendet werden, der auf der Seite der Messmembran ausgeübt wird, an der sich keinerlei gefährliche Elemente befinden; er kann dagegen nicht als Differenzdruckfühler verwendet werden, da durch eine der beiden Seiten der Messmembran elektrischer Strom fließt, was zu Korrosion und vor allem zu Explosionen führen könnte.
Um dieses Problem zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, zwei identische Druckfühler Rücken an Rücken zu montieren, so dass die beiden Messmembrane einander gegenüberliegen, und nur ihre Fläche, welche keine elektrischen Bauteile aufweist, mit den zu messenden Fluiden in Berührung kommt.
Doch bei einem derartigen Aufbau stößt man auf das Problem des Abgleichs der beiden Druckmessungen, wobei es schwierig ist, einen stabilen Nullpunkt und ein symmetrisches Signal zu erhalten.
Außerdem wird ein derartiges System in Gegenwart von explosiven oder chemisch aggressiven Fluiden sehr kompliziert und folglich teuer und aufwendig.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Druckfühler der oben genannten Art vorgeschlagen wird, der als Differenzdruckfühler verwendet werden kann, und bei dem die Probleme des Abgleichs und der Nullpunktstabilität gelöst werden können.
Gemäß der Erfindung muss eine solche Vorrichtung darüberhinaus hinreichend empfindlich sein, um Druckschwankungen in der Größenordnung von mbar erkennen zu können, wobei sie gleichzeitig nicht zu sperrig sein darf und im Vergleich zu den herkömmlichen Druckfühlern einen konkurrenzfähigen Preis aufweisen muss.
Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf einen Druckfühler für eine explosive oder korrosive Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis folgendes umfasst:

– einerseits Korrosionsschutzelemente und Explosionsschutzelemente mit
– einer elastisch kaum verformbaren Korrosionsschutzmembran geringer Stärke aus einem sehr widerstandsfähigen Material, die in einem Schutzhohlraum verriegelt ist, welcher derart dimensioniert ist, dass sie sich nur eingeschränkt verschieben kann, und
– mindestens einem Explosionsschutzrohr, das hinter der Schutzmembran in Richtung der Übertragung der elektrischen Signale montiert und derart dimensioniert ist, dass jegliche Ausbreitung von Flammen verhindert wird, und als Strömungswiderstand dient, und
– andererseits Filterelemente für akustische Signale mit mindestens einem Helmholtz-Resonator, bestehend aus einer Verbindung einer Ableitung des Schutz rohres mit einem Hohlraum, der als Schallkörper dient, und so dimensioniert ist, dass die Störfrequenzen der akustischen Signale vor ihrer Zuführung zu der Messmembran beseitigt werden können.

Gemäß der Erfindung besitzt die Schutzmembran, die vorteilhafterweise aus Kapton^® oder aus Edelstahl oder aus Phosphorbronze hergestellt sein kann, im allgemeinen eine äußerst geringe Stärke in der Größenordnung von 0,01 mm und einen Durchmesser in der Größenordnung von 20 mm, so dass sie die akustischen Signale, die für die Druckschwankungen repräsentativ sind, an der Druckmessöffnung ohne deutliche Dämpfung übertragen kann.
Um diese Membran in Gegenwart von sehr starken Druckschwankungen, die im Messkreis und insbesondere in der Leitung direkt hinter der Druckmessöffnung in Richtung der Übertragung der akustischen Signale zufällig erzeugt werden können, gegen ein Abreißen zu schützen, wird diese Membran im Innern eines schmalen, im allgemeinen zylinderförmigen Schutzhohlraumes montiert, in dem sie verriegelt bzw. blockiert ist.
Durch das Vorhandensein dieses Schutzhohlraumes können die Verformungen der Schutzmembran auf eine maximale Verschiebung in der Größenordnung von 1 mm begrenzt werden.
Denn da sie kaum elastisch verformbar ist, wird sie bei zu großem Überdruck gegen die Wände des Schutzhohlraumes gedrückt, wodurch Verformungen verhindert werden, die ihre elastischen und mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen würden.
Um eine perfekte Abdichtung der Membran zu gewährleisten, können gegebenenfalls Dichtungen vorgesehen werden.
Im Normalbetrieb bewegt sich die Schutzmembran dennoch in dem Schutzhohlraum hin und her, ohne die Wände dieses Hohlraumes zu berühren; infolgedessen werden die akustischen Signale, die an der Druckmessöffnung aufgenommen werden, ohne große Dämpfung in den Teil des Messkreises hinter der Schutzmembran in Richtung Ausbreitung dieser Signale vollständig übertragen.
Um jegliche Dämpfung oder Störungen dieser akustischen Signale zu vermeiden, darf die Leitung, die die Druckmessöffnung mit dem Schutzhohlraum verbindet, nur einen geringen Durchmesser haben und muss sehr kurz sein.
Gemäß der Erfindung hat das Explosionsschutzrohr vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,3 mm² und eine Länge von 7 mm; es stellt eine Explosionsschutzbarriere dar und dient als Flammenkante, da der Gasstrahl im Falle einer Explosion geglättet und durch Entspannung abgekühlt werden kann, so dass eine Ausbreitung der Flammen bis zu den elektrischen Bauteilen des Druckfühlers verhindert wird.
Die Konstruktionseinzelheiten und insbesondere die Abmessung der Korrosionsschutzelemente und Explosionsschutzelemente erfolgt gemäß der europäischen Norm EN 12 874, in der die ”Leistungsanforderungen und Einsatzgrenzen von Flammenkanten” angegeben sind.
Gemäß der Erfindung ist das Vorhandensein von Filterelementen unerlässlich, um eigene, genaue akustische Signale an den Verformungssensor zu übertragen, die anschließend leicht ausgewertet werden können, sofern die Druckschwankungen in einem Fluid-Oszillator im allgemeinen eine sehr geringe Amplitude aufweisen, und zwar in der Größenordnung von 1 mbar, und wo – wie bei einem Musikinstrument – es sich bei den Signalen, die an der Druckmessöffnung aufgenommen und in den Messkreis übertragen werden, um Signale komplexer Form handelt, die sich aus der Addition einer reinen Grundfrequenz und zahlreicher Oberschwingungen ergeben, die Störfrequenzen entsprechen, welche vor ihrer Zuführung zu der Messmembran durch möglichst vollständiges Filtern eliminiert werden müssen.
Infolgedessen ist das Vorhandensein mindestens eines Helmholtz-Resonators eines der wesentlichen Elemente des erfindungsgemäßen Druckfühlers.
Ein solcher Resonator, der dem Fachmann wohlbekannt ist, entspricht in elektronischer Hinsicht einem RC-Tiefpassfilter.
Mit ihm ist eine besonders wirkungsvolle Filterung der an ihn übertragenen akustischen Signale möglich, insofern als er bestimmte empfindliche Frequenzen erheblich verstärkt, insbesondere eine niedrigere Frequenz, die sogenannte Eigenresonanzfrequenz des Resonators, die am meisten verstärkt wird.
Selbstverständlich bestimmen sich die Abmessungen des Hohlraumes, der als Schallkörper dient und dessen Volumen im Allgemeinen einige mm³ beträgt, im Allgemeinen nach der Art der zu filternden Frequenzen.
Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem Dokument US-A-3559 488 bereits ein Druckfühler vorgeschlagen wurde, der an eine korrosive Atmosphäre angepasst ist, und folgendes umfasst:

– eine Druckmessöffnung, die derart mit einem Messkreis verbunden ist, dass die akustischen Signale, die für die zu messenden Druckschwankungen repräsentativ sind, auf eine Messmembran übertragen werden, die in einem Messhohlraum angebracht ist, und sich unter der Wirkung von akustischen Signalen, die ihr zugeführt werden, verformt,
– einen Verformungssensor, der auf diese mechanischen Verformungen reagiert, und sie in elektrische Signale umwandeln kann, und
– einen elektronischen Verstärker, der mit diesem Verformungssensor verbunden ist.

Doch diese Einrichtung ist weder mit Explosionsschutzelementen noch mit Filterelementen für akustische Signale ausgestattet, um die Störfrequenzen dieser Signale vor ihrer Zuführung zu der Messmembran zu beseitigen.
Nach einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung besitzen die Filterelemente der akustischen Signale mindestens zwei Helmholtz-Resonatoren, die nacheinander an dem Messkreis montiert und derart dimensioniert sind, dass sie unterschiedliche Eigenresonanzfrequenzen besitzen.
Die Verbindung dieses zweiten Helmholtz-Resonators in Reihe stellt einen Filter zweiter Ordnung dar, der im Wesentlichen nur die Grundfrequenz der akustischen Signale, die an dem Eingang des Messhohlraumes aufgenommen wurden, durchlässt, und die Störfrequenzen weitgehend eliminiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Geometrie und die Abmessungen der starren Hohlräume und der Rohre der Helmholtz-Resonatoren in Abhängigkeit von der Art des zu messenden Fluids (Flüssigkeit oder Gas) entsprechend angepasst werden müssen.
Im Fall nicht komprimierbarer Fluide müssen die Hohlräume elastisch verformbar sein und sie bestehen von ihrer Konstruktion her vorteilhafterweise aus elastischen Balgen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Messhohlraum mit dem Helmholtz-Resonator oder mit einem der Helmholtz-Resonatoren verbunden, nämlich dem Resonator, der nachgeordnet in Richtung der Ausbreitung der akustischen Signale durch einen Messkanal montiert ist, so dass er mit diesem Hohlraum einen zusätzlichen Helmholtz-Resonator bildet.
Somit besitzt die Vorrichtung gemäß der Erfindung mindestens drei Filterstufen mit drei verschiedenen Eigenresonanzfrequenzen, die zusammen einen Filter dritter Ordnung bilden, mit dem garantiert werden kann, dass im Bereich der Messmembran nach Eliminierung aller Störfrequenzen nur ein Bereich der Grundfrequenzen der akustischen Signale übertragen wird.
Mit einer solchen Filterung lassen sich somit Frequenzschwankungen unter mbar feststellen.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Eigenfrequenzen der drei Helmholtz-Resonatoren so angepasst, dass ihre Kombination für die Gesamtheit der Nutzsignale, die durch den Hohlraum des Fluid-Oszillators erzeugt werden, eine Durchlassbreite liefert.
Das Volumen in den beiden Membranen kann gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit mit hoher Viskosität (Öl) gefüllt werden, mittels derer die Vibrationsphänomene gedämpft werden können.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Anzahl der Filterstufen je nach Behandlung erhöht oder gesenkt werden kann.
Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Einrichtung mit der Gestaltung des menschlichen Ohres verglichen werden kann, bei dem die akustischen Signale in der Hörmuschel empfangen werden, welche durch eine Schutzmembran (das Trommelfell) geschlossen ist, die wiederum auf der Innenohrseite mit den Ohrknöchelchen und mit dem Labyrinth verbunden ist, das einem mit Flüssigkeit gefüllten Rohr entspricht, welches in seinem Mittelteil eine Membran aufweist, die mit dem akustischen Filter der erfindungsgemäßen Einrichtung vergleichbar ist.
Die Ausbreitung akustischer Vibrationen in diesem Rohr wird von Druckfühlern erfasst, die entlang diesem Rohr verteilt sind, und die aus Fäden unterschiedlicher Länge bestehen, welche in unterschied-lichen Frequenzen mitschwingen, um den Hörnerv zu aktivieren.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Messmembran aus einer elastisch verformbaren Membran, vorzugsweise aus Silizium, wobei auf einer Seite elektrische Widerstände, insbesondere als Wheatstone-Brücke, eingraviert sind, von denen mindestens einer auf die Verformungen der Membran reagiert.
Wenn Strom durch die Widerstände fließt, können diese Widerstände, die den Verformungssensor bilden, elektrische Signale empfangen, die repräsentativ sind für akustische Signale, die nach dem Filtern vor den Störfrequenzen auf die Messmembran übertragen werden.
Nach der Verstärkung stellen diese elektrischen Signale besonders reine und präzise Messsignale dar, die leicht von einem Mikroprozessor verarbeitet werden können.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Messhohlraum über einen Ableitungskanal mit geringem Querschnitt mit der Außenseite verbunden.
Die Ergänzung eines solchen Kanals kann sich insofern als notwendig erweisen, wenn der Raum zwischen der Schutzmembran und der Messmembran einen geschlossenen, dichten Raum bildet.
Im Laufe der Herstellung und des Zusammenbaus der Einrichtung kann in diesem geschlossenen Raum nämlich ein Überdruck gegenüber dem externen Luftdruck entstehen.
Ein solcher Überdruck kann nun aber eine Nullpunktverschiebung bzw. einen Nullversatz der Messung hervorrufen.
Durch das Vorhandensein des Ableitungskanals kann dieser Nachteil beseitigt werden, indem zwischen diesem geschlossenen Raum und der Atmosphäre ein permanentes Leck geschaffen wird, so dass dieser Überdruck beseitigt wird.
Dieser Ableitungskanal kann vorteilhafterweise einen sehr kleinen Querschnitt in der Größenordnung von 0,1 mm² und eine große Länge von mehreren Zentimetern besitzen, so dass man diesen Überdruck mit einer langen Zeitkonstante beseitigen kann im Vergleich zu der maximalen Zeitkonstante, die mit der Frequenz des zu messenden Signals verbunden ist.
Doch durch das Vorhandensein dieses Ableitungskanals besteht jedoch auch die Gefahr, dass atmosphärischer Wasserdampf in den Messhohlraum eindringt, was vermieden werden muss.
Deshalb ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, den Ableitungskanal, insbesondere im Bereich seiner Öffnung in die Atmosphäre, mit einer porösen, selektiven Membran, insbesondere auf PTFE-Basis, auszustatten, die die Eigenschaft besitzt, dass sie luftdurchlässig ist, aber keine Wassermoleküle durchlässt.
Diese Art der Membran wird häufig bei medizinischen Anwendungen verwendet.
Es ist darauf hinzuweisen, dass sich die oben beschriebene Einrichtung im Falle von Druckfühlern als zufriedenstellend erweisen kann, welche eine relative Druckschwankung gegenüber dem externen Atmospärendruck messen sollen, der auf einer der Seiten der Messmembran herrscht.
Dennoch – und nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung – besitzt der Druckfühler zwei Druckmessöffnungen, die mit zwei identischen Messkreisen verbunden sind, welche symmetrisch an beiden Seiten des Messhohlraumes mit der Messmembran angeschlossen sind, so dass ein Differenzdruckfühler gebildet wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der Ableitungskanal bei einem solchen Differenzdruckfühler zwei Abschnitte oder Stränge umfassen muss, so dass die beiden Seiten der Messmembran direkt mit der Atmosphäre verbunden werden, und die Überdrücke permanent ausgeglichen werden, um kein permanentes Ungleichgewicht der Messungen zu erzeugen.
Angesichts des oben Gesagten kann der Druckfühler, der Gegenstand der Erfindung ist, eine ganze Reihe von Bedürfnissen erfüllen, insofern als:

– er besonders empfindlich ist und Druckschwankungen in der Größenordnung von mbar feststellen kann,
– er explosionssicher ist,
– sein empfindlicher Teil nicht mit dem zu messenden Fluid in Berührung ist, um jegliche Korrosionsprobleme zu vermeiden,
– er eine akustische Filterstufe besitzt und folglich gegen Störphänomene der erzeugten Frequenzen unempfindlich ist,
– die Messung des Differenzdruckes automatisch ausgeglichen wird.

Die Merkmale des Druckfühlers, der Gegenstand der Erfindung ist, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nicht einschränkend zu verstehen sind, genauer beschrieben. Es zeigen:
1 eine Grundzeichnung mit einer solchen Einrichtung, die beispielhaft einen Strömungsmesser des Typs Fluid-Oszillator besitzt, der an die Messung eines Gasstromes angepasst ist,
1a einen Hohlraum einer Einrichtung ähnlich der in 1 gezeigten, die aber an die Messung einer nicht komprimierbaren Flüssigkeitsströmung angepasst ist,
2 eine perspektivische Ansicht einer Explosionszeichnung eines Ausführungsbeispiels eines Fluid-Oszillators, der mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattet ist.
Die Kammer I des Oszillators, in dem die zu messende Flüssigkeit zirkuliert, ist in 1 schematisch dargestellt.
Gemäß 1 besitzt der Druckfühler im wesentlichen eine Messmembran 1, die in einem Messhohlraum 2 befestigt ist, sowie zwei Druckmessöffnungen 3, 3', die sich an der Innenseite der Kammer I befinden, und jeweils mit einem Messkreis 4, 4' verbunden sind, so dass zu beiden Seiten der Membran 1 akustische Signale übertragen werden, die für die zu messenden Druckschwankungen repräsentativ sind.
Diese beiden Messkreise 4, 4' sind absolut identisch und zu beiden Seiten der Messmembran 1 montiert.
Einer dieser Kreise 4 ist in fett gezeichnet, während der andere, 4', schwächer dargestellt ist.
Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur der Kreis 4 beschrieben.
Der Messkreis 4' enthält die Elemente x', die mit den entsprechenden Elementen x des Messkreises 4 identisch sind.
Gemäß 1 handelt es sich bei der Messmembran 1 um eine elastisch verformbare Membran, die aus Silizium hergestellt ist.
Eine Gesamtheit elektrischer Widerstände 5, die als schematisch dargestellte Wheatstone-Brücke montiert sind, ist auf einer ihrer Seiten eingraviert und mit einem Stromversorgungskreis verbunden.
Mindestens einer dieser Widerstände reagiert auf die Verformungen der Messmembran 1.
Die akustischen Signale, die an der Druckmessöffnung 3 in der Kammer I aufgenommen wurden, werden der Seite der Messmembran zugeführt, die nicht mit Widerständen 5 versehen ist, und zwar nachdem sie den Messkreis 4 passiert haben.
Hinter der Druckmessöffnung 3 ist der Kreis 4 mit Korrosionsschutzelementen und Explosionsschutzelementen sowie mit in Reihe geschalteten Filterelementen ausgestattet, die nachstehend genauer beschrieben sind.
Unter der Wirkung akustischer Signale, die ihr auf diese Art und Weise zugeführt werden, wird die Messmembran 1 mechanischen Verformungen unterworfen.
Diese Verformungen werden in elektrische Signale umgewandelt, die für akustische Signale im Bereich der Wheatstone-Brücke 5 repräsentativ sind.
Diese elektrischen Signale werden anschließend an einen elektronischen Verstärker 20 übertragen, der mit dieser verbunden ist.
Mit einem elektronischen Signalverarbeitungskreis 21, der eine Filterung durch Autokorrelation besitzt, kann man die gewünschten Informationen erhalten.
Gemäß 1 besitzt der Messkreis 4 ein Rohr 6, das die Druckmessöffnung 3 verlängert.
Dieses Rohr 6 geringer Länge und mit einem geringen Durchmesser, damit es die akustischen Signale, die an der Druckmessöffnung 3 aufgenommen werden, nicht stört, mündet in einen engen, zylinderförmigen Schutzhohlraum 7, in dem eine Schutzmembran 8 geringer Stärke eingeschlossen ist.
Diese Membran 8 wird derart hergestellt, dass auch sie ohne deutliche Dämpfung die akustischen Signale, die von dem Rohr 6 kommen, auf ein explosionssicheres Schutzrohr 9 mit geringen Abmessungen übertragen kann, die in Richtung der Ausbreitung akustischer Signale 9₁ hinter dieser montiert sind.
Dieses Schutzrohr besitzt mehrere Funktionen, deren erste Funktion darin besteht, die Übertragung akustischer Signale in Richtung der Messmembran 1 zu ermöglichen.
Das Schutzrohr 9 dient parallel dazu als Explosionsschutzbarriere und Schutz gegen die Ausbreitung von Flammen.
Außerdem besitzt es eine Abzweigung 9₂ , die ein Element einer ersten Filterstufe der akustischen Signale darstellt, um die Störfrequenzen daraus zu eliminieren.
Die Abzweigung 9₂ des Schutzrohres stellt nämlich einen Strömungswiderstand dar und ist in Richtung der Ausbreitung der akustischen Signale mit einem Hohlraum 10 verbunden, der als Schallkörper dient, und hinter ihm abgezweigt ist.
Die Verbindung des Rohres 9₂ mit dem Hohlraum 10 stellt einen Helmholtz-Resonator dar, welcher einem resonanten Schallsystem entspricht, so dass bestimmte Frequenzen verstärkt werden, und eine sehr wirkungsvolle Filterung der akustischen Signale, die an ihn übertragen werden, möglich wird.
Um diese Filterung zu verbessern und um zu garantieren, dass der Messkreis 4 an die Messmembran 1 nur die Grundkomponenten der aufgenommenen Signale überträgt und die Oberschwingungen eliminiert, wird dem Helmholtz-Resonator 9₂ , 10 gemäß 1 eine zweite Filterstufe hinzugefügt, die aus einem zweiten Helmholtz-Resonator besteht, welcher hinter dem ersten in Reihe geschaltet ist.
Dieser zweite Helmholtz-Oszillator besteht ebenfalls aus der Verbindung eines Rohres geringer Abmessung 11, das einen Strömungswiderstand darstellt, mit einem zweiten Hohlraum 12, der als abgezweigter Resonator hinter diesem Rohr 11 dient, und zwar in Richtung der Ausbreitung der akustischen Signale.
Somit erhält man einen Filter zweiter Ordnung, der im Wesentlichen nur die Grundfrequenz der aufgenommenen akustischen Signale durchlässt.
Im Falle komprimierbarer Gase kann das Volumen der Hohlräume 10, 12 gemäß 1 durch einen verstellbaren Kolben 10₁ , 12₁ verändert und demzufolge die Eigenresonanzfrequenz der so gebildeten Helmholtz-Resonatoren reguliert werden.
Im Falle von nicht komprimierbaren Flüssigkeiten bestehen die Hohlräume 10₂ , 12₂ gemäß 1a aus elastischen Balgen, die mittels Stellschrauben 10₃ , 12₃ verstellt werden können.
Der zweite Helmholtz-Oszillator 11, 12 ist gemäß 1 durch ein weiteres Rohr 13, das ebenfalls einen Strömungswiderstand darstellt, mit dem Mess hohlraum 2 verbunden, und bildet somit eine dritte Filterstufe aufgrund seiner Verbindung mit dem Messhohlraum 2.
Die Gesamtheit bestehend aus dem Rohr 13 und dem Messhohlraum 2 bildet nämlich einen dritten Helmholtz-Filter, mit dem man praktisch eine Filterung der dritten Ordnung der akustischen Signale (die von der Kammer I kommen) erhalten kann, und die im Bereich der Druckmessöffnung 3 aufgenommen und auf die Messmembran 1 übertragen werden, wobei sie den Messkreis 4 passieren.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Abmessungen der Rohre 9, 11, 13 und der Hohlräume 10, 12, 2 sehr gering sind; die Volumen der Hohlräume sind nämlich kleiner als ½ cm³, während die Länge der Rohre weniger als 10 mm und ihr Durchmesser geringer als mm ist.
Die Eigenfrequenzen der drei Helmholtz-Filter werden derart angepasst, dass ihre Kombination für die Gesamtheit der von dem Hohlraum des Fluid-Oszillators erzeugten Nutzsignale eine Durchlassbreite liefert.
Außerdem wird die Filterung der endgültigen Autokorrelation selbst angepasst, um das Frequenzband für die Eliminierung des Grundrauschens passieren zu lassen, das der Verstärkung vor der digitalen Verarbeitung vorangeht.
Darüberhinaus ist der Messhohlraum 2 gemäß 1 zu beiden Seiten der Messmembran 1 im Bereich des Hohlraums 10 durch einen Ableitungskanal 14 mit sehr geringem Querschnitt, beispielsweise 0,1 mm², mit der Außenseite verbunden.
Dieser Ableitungskanal 14 ist mit einer an sich bekannten, selektiven Membran 15 ausgestattet, die die Besonderheit besitzt, dass sie luftdurchlässig ist, aber keine Wassermoleküle hindurchlässt.
Der Fluid-Oszillator gemäß 2 besteht aus einem Bronzeelement aus mehreren Teilen, die mittels einer Schraube 16 verbunden sind.
Das zu messende Fluid dringt entsprechend Pfeil A in diesen Oszillator ein und tritt entsprechend Pfeil B wieder aus ihm aus, nachdem es die Kammer I passiert hat.
Ein sehr geringer Bruchteil dieses Fluids wird von den Druckmessöffnungen 3, 3' aufgenommen und in den Druckfühler transportiert, dessen verschiedene Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind wie in 1.
Mit Dichtungen 17 kann die Dichtheit über den gesamten Weg der Ausbreitung der akustischen Signale in dem Messkreis zwischen den Öffnungen 3, 3' und dem Messhohlraum 2, der die Messmembran 1 aufweist, den Schutzhohlraum 7, 7' passierend, der die Schutzmembran 8 enthält, und die Helmholtz-Oszillatoren 9, 10; 11, 12 et 9', 10'; 11' 12' garantiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- FR 2746147 A [0003]
- US 3559488 A [0038]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 12 874 [0032]

Claims

Druckfühlereinrichtung für eine explosive oder korrosive Atmosphäre, mit dem insbesondere ein Strömungsmesser für Flüssigkeiten oder Dampf, wie ein statischer Fluid-Oszillator ausgestattet werden soll, wobei diese Einrichtung folgendes aufweist: – eine Druckmessöffnung (3), die derart mit einem Messkreis (4) verbunden ist, dass akustische Signale, die für die zu messenden Druckschwankungen repräsentativ sind, auf eine Messmembran (1) übertragen werden, die in einem Messhohlraum (2) angebracht ist, und sich unter der Wirkung von akustischen Signalen, die ihr zugeführt werden, verformt, – einen Verformungssensor (5), der auf diese mechanischen Verformungen reagiert, und sie in elektrische Signale umwandeln kann, und – Einrichtungen zur elektronischen Verarbeitung elektrischer Signale (20, 21), die mit diesem Verformungssensor (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkreis (4) folgendes umfasst: – einerseits Korrosionsschutzelemente und Explosionsschutzelemente mit – einer elastisch kaum verformbaren Korrosionsschutzmembran (8) geringer Stärke aus einem sehr widerstandsfähigen Material, die in einem Schutzhohlraum (7) verriegelt ist, welcher derart dimensioniert ist, dass sie sich nur eingeschränkt verschieben kann, und – mindestens einem Explosionsschutzrohr (9), das hinter der Schutzmembran (8) in Richtung der Übertragung der elektrischen Signale montiert und derart dimensioniert ist, dass jegliche Ausbreitung von Flammen verhindert wird, und als Strömungswiderstand dient, und – andererseits Filterelemente für akustische Signale mit mindestens einem Helmholtz-Resonator, bestehend aus einer Verbindung einer Zuleitung (9₂ ) des Schutzrohres (9) mit einem Hohlraum (10), der als Schallkörper dient, und so dimensioniert ist, dass die Störfrequenzen der akustischen Signale vor ihrer Zuführung zu der Messmembran (1) beseitigt werden können.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente der akustischen Signale mindestens zwei Helmholtz-Resonatoren (9₂ , 10; 11, 12) umfassen, die nacheinander an dem Messkreis (4) montiert und derart dimensioniert sind, dass sie unterschiedliche Eigenresonanzfrequenzen besitzen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messhohlraum (2) mit dem Helmholtz-Resonator oder mit einem der Helmholtz-Resonatoren (11, 12) durch einen Messkanal (13) verbunden ist, so dass er mit diesem einen zusätzlichen Helmholtz-Resonator bildet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenzen der Helmholtz-Resonatoren so angepasst sind, dass man nachgeordnet für die Gesamtheit der akustischen Nutzsignale eine Durchlassbreite erhält.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (1) aus einer elastisch verformbaren Membran, vorzugsweise aus Silizium, besteht, wobei auf einer Seite elektrische Widerstände (5), vorzugsweise als Wheatstone-Brücke montiert, eingraviert sind, von denen mindestens einer auf die Verformungen der Membran (1) reagiert, wobei diese elektrischen Widerstände den Druckfühler darstellen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messhohlraum (2) über einen Ableitungskanal (14) mit geringem Querschnitt, der vorzugsweise durch eine feuchtigkeitsabweisende Membran (15) geschlossen ist, mit der Außenseite verbunden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Druckmessöffnungen (3, 3') besitzt, die mit zwei identischen Messkreisen (4, 4') verbunden sind, welche symmetrisch an beiden Seiten des Messhohlraumes (2) mit der Messmembran (1) angeschlossen sind, so dass ein Differenzdruckfühler gebildet wird.