DE102013020791A1

DE102013020791A1 - Hoechstdruckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE102013020791A1
Application number: DE102013020791.6A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Höchstdruckmessaufnehmer zur genauen Messung von Drücken bis 25 kbar mit einfacher Eichmöglichkeit. Ein Messkolben (3) wandelt den in einem Hochdruckraum (38) anstehenden Druck in eine axiale Kraft über eine Stirnfläche (19) um, wobei die Kraft dann an der anderen Stirnfläche (20) auf eine Kraftmessdose (9) übertragen wird und der dabei erfolgenden Axialbewegung des Messkolbens (3) dann zugleich eine Drehbewegung über ein Messkolbenantriebsrad (4) mittels Getriebemotor 14 überlagert wird um die Axialreibung auszuschalten. Auftretende Torsionsmomente aus der Drehbewegung werden von der Kraftmessdose (9) ferngehalten durch einen zwischengeschalteten Federstahlstreifen (5) oder durch ein Axialkugellager (37), sodass eine sehr genaue Messung möglich wird. Durch die Möglichkeit, die Kraftmessdose (9) im zusammengebauten Druckmessaufnehmer zu eichen, indem Eichgewichte in der exakt gleichen Wirkungslinie und vektoriellen Ausrichtung wie der Messkolben (3) angebracht werden können und damit die gesamte Messkette abzugleichen, besteht ein einfache Rückführbarkeit der Messkette ohne Hochdruckerzeugung.The invention relates to a Höchstdruckmessaufnehmer for accurate measurement of pressures up to 25 kbar with simple calibration option. A volumetric flask (3) converts the pressure prevailing in a high-pressure chamber (38) into an axial force over an end face (19), the force then being transferred to a load cell (9) at the other end face (20) and taking place Axial movement of the volumetric flask (3) then at the same time a rotational movement via a Meßkolbenantriebsrad (4) is superimposed by means of gear motor 14 to turn off the axial friction. Occurring torsional moments from the rotational movement of the load cell (9) kept away by an intermediate spring steel strip (5) or by an axial ball bearing (37), so that a very accurate measurement is possible. The ability to calibrate the load cell (9) in the assembled pressure transducer by applying calibration weights in the exact same line of action and vector orientation as the volumetric flask (3) and thus aligning the entire measurement chain provides easy traceability of the measurement chain without high pressure generation.

Description

Es wird ein sehr genau arbeitender Höchstdruckmessaufnehmer mit einfacher Eichmöglichkeit vorgestellt.A very accurate high pressure transducer with simple calibration capability is presented.

Stand der TechnikState of the art

In der gegenwärtigen Technik der industriellen Autofrettage werden Bauteile mit statischen Drücken bis 25000 bar autofrettiert. Vorteilhaft verwendet man dazu Druckübersetzer, die einen hydraulischen Druck mittels Stufenkolben in getrennten Druckkreisläufen für Hochdruck und Niederdruck bereitstellen. Bei sehr hohen Drücken misst man meist auf der Niederdruckseite solcher Druckübersetzer, um dann mit dem Übersetzungsverhältnis auf den erzeugten Hochdruck hochzurechnen. Hierbei treten jedoch Ungenauigkeiten auf. Das rechnerische Übersetungsverhältnis von Druckübersetzern verringert sich z. B. durch Dichtungsreibung auf der Niederdruck und der Hochdruckseite. Auch besteht die Gefahr, dass Hochdruckfluide durch allmählichen Fasenübergang zum Feststoff und Veränderung ihrer tribologischen Eigenschaften unter höchsten Drücken die Genauigkeit der Übertragung von Messungen auf der Niederdruckseite von Druckübersetzern infrage stellen. Weitere Messmöglichkeiten sind Kraftmessdosen, die Schraubenhaltekräfte von HD-Zylindern unter Last messen. Hier besteht jedoch auch die Unsicherheit bezüglich Reibungskräften des Hochdruckkolbens oder Plungers, auch ein Stocken des Hochdruckfluids kann nicht zweifelsfrei ausgeschlossen werden, weil die Schraubenkräfte auch beim Festwerden des HD-Fluids auftreten. Aus der Kalibriertechnik sind sogenannte Druckwaagen bekannt und werden für die Kalibrierung von Manometer eingesetzt, auch im Bereich höchster Drücke. Hier wird ein beweglicher Messkolben axial druckbeaufschlagt und in einem exakt gefertigten Spalt eines Zylinders geführt, in Gleichgewicht mit aufgelegten Gewichten gebracht und dann in Rotation versetzt, um den Einfluss der Reibkraft zu kompensieren. Im Bereich bis 14 kbar wird eine solche Anlage z. B. an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt betrieben. Hier handelt es sich jedoch um sehr aufwendige Messeinrichtungen, die auch hinsichtlich ihrer Druckhöhe schon an Grenzen stoßen, weil bei sehr hohen Drücken hier Gewichte in der Größenordnung bis 1000 Kilogramm aufgelegt werden müssen, was ihre Handhabung erschwert. Darum muss ausserdem der zu kalibrierende Messaufnehmer in ein solches Prüflabor mit Hochdruckerzeuger gebracht werden. Ausgeführte Druckmeßaufnehmer der industriellen Technik, wie z. B. der in der Offenlegungsschrift DE 10 2009 031 482 A1 beschriebene Messaufnehmer, bestehen aus einem druckbeaufschlagten, axial beweglichen Messkolben in einem Zylinderblock, der über eine reibungsarme Dichtung einen auf die Stirnfläche des Messkolbens wirkenden Hydraulikdruck in eine Kraft umwandelt, die dann mit einer Kraftmessdose gemessen wird. Dieses Messsystem hat eine hohe Genauigkeit, jedoch ist durch Verunreinigungen im Dichtspalt eine häufige Reinigung erforderlich, da ansonsten durch mechanische Reibung eine Hysterese entsteht, erkennbar daran, dass bei Drucklosigkeit eine Restkraft vom Messkolben an der Kraftmessdose bestehen bleibt. Daher eignen sich diese Messaufnehmer nicht für Kalibrierzwecke. Andere Messaufnehmer wie z. B. DE10238163A1 verwenden Dehnmessstreifen, die außen am Messzylinder aufgebracht sind und die Umfangsdehnung in bekannter Weise mit einer Weatstone'schen Brücke messen. Das dabei entstehende Messsignal muss erstmals bei Inbetriebnahme und dann immer wieder regelmäßig mit einer geeichten Hochdruckanlage überprüft werden, da Kriechen bzw. eine Alterung der Verbindung der Dehnmeßsteifen mit dem Messzylinder oder plastische Aufweitung des Zylindermantels bei sehr hohen Drücken zu Messfehlern führen, die regelmäßig korrigiert werden müssen.In the current technique of industrial autofrettage, components are autofretted with static pressures up to 25000 bar. It is advantageous to use pressure intensifier, which provide a hydraulic pressure by means of stepped piston in separate pressure circuits for high pressure and low pressure. At very high pressures are usually measured on the low pressure side such pressure booster, and then up-calculate with the gear ratio to the generated high pressure. However, inaccuracies occur. The computational translation ratio of pressure translators decreases z. B. by seal friction on the low pressure and the high pressure side. There is also a risk that high-pressure fluids by gradual phase transition to the solid and changing their tribological properties under highest pressures, the accuracy of the transmission of measurements on the low pressure side of pressure intensifiers question. Other measurement options include load cells that measure the screw holding forces of high-pressure cylinders under load. Here, however, there is also the uncertainty regarding frictional forces of the high-pressure piston or plunger, even a stagnation of the high-pressure fluid can not be excluded beyond doubt, because the bolt forces occur even when solidifying the HD fluid. From the calibration technique so-called pressure compensators are known and are used for the calibration of pressure gauges, even in the range of highest pressures. Here, a movable volumetric flask is axially pressurized and guided in a precisely machined nip of a cylinder, brought into balance with applied weights, and then rotated to compensate for the influence of frictional force. In the range up to 14 kbar such a system z. B. operated at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt. However, these are very complex measuring devices, which already reach their limits in terms of their pressure, because at very high pressures here weights in the order of 1000 kilograms must be applied, which makes their handling difficult. Therefore, the sensor to be calibrated must be brought into such a test laboratory with high pressure generator. Completed Druckmeßaufnehmer industrial technology, such. B. in the published patent application DE 10 2009 031 482 A1 consist of a pressurized, axially movable volumetric flask in a cylinder block, which converts a force acting on the face of the volumetric flask hydraulic pressure into a force via a low-friction seal, which is then measured with a load cell. This measuring system has a high degree of accuracy, but contamination in the sealing gap requires frequent cleaning, otherwise hysteresis will occur due to mechanical friction, recognizable by the fact that, in the absence of pressure, a residual force remains on the load cell from the volumetric flask. Therefore, these sensors are not suitable for calibration purposes. Other sensors such. B. DE10238163A1 use strain gauges which are externally applied to the measuring cylinder and measure the circumferential strain in a known manner with a Weatstone bridge. The resulting measurement signal must be checked for the first time during commissioning and then regularly with a calibrated high pressure system, as creep or aging of the compound of the strain gauges with the measuring cylinder or plastic expansion of the cylinder jacket at very high pressures to measurement errors that are corrected regularly have to.

Aufgabe der Erfindung des Höchstdruckmessaufnehmers ist es, die genannten Nachteile bisheriger Messaufnehmer zu beheben und zugleich eine Kalibrierbarkeit der Kraftmessdose mit geeichten Gewichten auf einfache Weise, wie in der Wägetechnik üblich, zu ermöglichen.The object of the invention of the high-pressure transducer is to remedy the aforementioned disadvantages of previous sensors and at the same time to allow calibration of the load cell with calibrated weights in a simple manner, as is customary in weighing technology.

Offenlegung der ErfindungDisclosure of the invention

Ein solcher Höchstdruckmessaufnehmer ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen einseitig druckbeaufschlagbaren, vorteilhaft in Schrumpfkonstruktion hergestellten z. B. zweischaligen Messzylinder aufweist, in welchen ein exakt eingeschliffener gehärteter Messkolben von beispielsweise 2 mm Durchmesser beweglich, insbesondere mit typisch bis zu 3 μm Spiel, auf einer hinreichenden Länge von mindestens zehnmal seinem Durchmesser, eingepasst ist, sodass durch die Hagen-Poiseuille'sche Spaltströmung eine sehr gute Dichtwirkung entsteht (denn bekanntlich nimmt die Viskosität typischer Hochdruckfluide bei hohen Drücken zu), zugleich aber noch durch geringe Leckage ein Fressen des Messkolbens im Messzylinder vermieden wird. Somit kann dieser Messkolben sich axial im Messzylinder bewegen. Der Messkolben wird auf der druckzugewandten Stirnseite mit einem Fluid unter Hochdruck beaufschlagt. Auf der druckabgewandten Stirnseite des Messkolbens übt dieser dann eine axiale Druckkraft auf eine sehr genaue Kraftmessdose aus, die dann gemessen wird. Dieser Messkolben ist nun erfindungsgemäß zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass er während seiner axialen Druckbeaufschlagung zugleich in Rotation oder in rotatorische Oszillation versetzt wird, z. B. durch einen Getriebemotor, der beispielsweise mit einem Zahnriemen und entsprechenden Zahnriemenrädern den Messkolben drehen lässt, sodass der durch den Druck verursachten Axialbewegung dazu senkrecht eine Rotationsbewegung überlagert wird, die wie beim bekannten Prinzip der Druckwaage mit gewichtsbelastetem rotierendem Kolben den Messfehler der Axialreibung ausgleicht. Um eine höchstmögliche Messgenauigkeit zu erreichen, soll auf die Kraftmessdose keine weitere Kraft als die Axialkraft möglichst zentrisch übertragen werden. Deshalb wird der Messkolben lang im Messzylinder geführt und an seinem kurzen freien Ende genau zentrisch fluchtend und querkraftfrei über der Kraftmessdose angeordnet, wie das im Prüfmaschinenbau üblich ist, z. B. durch einen balligen Lastknopf auf der Kraftmessdose und plangeschliffene Stirnseiten des Messkolbens sowie mittels Anordnung aller Bauteile in einer Flucht durch Verstiften. Kraftmessdosen erfordern allgemein neben einer querkraftfreien Krafteinleitung auch die Vermeidung von Torsion bzw. Drehmomenten auf die Membran während der Messung. Um auch kein Drehmoment durch Rotation oder Oszillation des Messkolbens auf die Kraftmessdose zu übertragen und deren Genauigkeit dadurch nicht zu beeinträchtigen, ist erfindungsgemäß der Höchstdruckmessaufnehmer in einer ersten Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass ein biegeelastischer aber torsionssteifer Federstahlstreifen zwischen Messkolben und Lastknopf der Kraftmessdose angeordnet ist. Um biegeelastisch, aber torsionssteif zu sein, soll die Breite dieses Federstahlstreifens im Verhältnis zu seiner Dicke etwa 30–100 betragen, z. B. also 0,2 mm dick zu 10 mm breit. Dieser Federstahlstreifen trennt die Axialkraft vom Torsionsmoment des Messkolbens. Auf die Kraftmessdose wird durch den Federstahlstreifen, der mit geringer Zusatzkraft von beispielsweise 2–100 N auf dem Messknopf der Kraftmessdose aufliegt und mit einem Gehäuse aussen formschlüssig verbunden wird, nur die Axialkraft des Messkolbens auf den Lastknopf übertragen, sein Torsionsmoment wird durch das hohe Flächenträgheitsmoment des beispielsweise 10 mm breiten Federstahlstreifens jedoch an dessen Enden in das Gehäuse abgeleitet, sodass der Kraftfluss aus dem Drehmoment immer ausserhalb der Kraftmessdose verläuft und in dem Gehäuse, das zugleich z. B. den Getriebemotor tragen kann und Aussenflansch der Kraftmessdose sein kann. Die aus der Federwirkung des Federstahlstreifens entstehende geringe Zusatzkraft auf die Kraftmessdose wird bei Messbeginn auf Null tariert. Statt eines Federstahlstreifens kann auch eine Membran zwischen dem Messkolben und dem Lastknopf der Kraftmessdose angeordnet sein, wobei die Membran dann das Torsionsmoment auf das Aussengehäuse überträgt, in welches sie eingespannt oder eingeschweißt ist, wobei das Aussengehäuse zugleich z. B. den Getriebemotor und die Kraftmessdose tragen kann. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Aufbau des Höchstdruckmessaufnehmers durch eine einfache Eichmöglichkeit der Kraftmessdose gekennzeichnet, die ohne Demontage des Höchstdruckmessaufnehmers durchgeführt werden kann:
Nach dem Gesetz, dass eine Kraft längs ihrer Wirkungslinie verschoben werden kann, ist dieser Höchstdruckmessaufnehmer dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessdose in ihrem durchgängigen Innengewinde eine durchgängige Kraftaufnahmeschraube hat, die auf der anderen Seite der Kraftmessdose übersteht, um so auf gleicher Wirkungslinie des Messkolbens eine Anhängevorrichtung für Eichgewichte anbringen zu können, z. B. mit Lastringen. Mit der Gewichtskraft kann auf die Kraftmessdose so eine geeichte Last aufgebracht werden, die in gleicher Wirkungslinie und in gleicher vektorieller Ausrichtung wie die Druckkraft des Messkolbens liegt. So lässt sich die gesamte Messkette, z. B. bestehend aus Messverstärker, Kabel und Druckmessdose, mit Gewichten kalibrieren. Dieses einfache Verfahren kann sehr schnell durchgeführt werden, weil dazu nur geeichte Gewichte (bei jedem amtlich zugelassenen Instandsetzer für Wägetechnik erhältlich) und eine Lasthängevorrichtung benötigt wird, jedoch kein kalibrierter Hochdruck, wie beim gegenwärtigen Stand der Technik. Umfangreiche Erprobungen in unserem Labor ergaben, dass der Messaufnehmer hervorragend funktioniert. Auch wurde nach der Gewichtseichung auf 90% vom Endwert der Kraftmessdose (100% entsprachen dem rechnerischen Druck von 20 kbar) bis 18300 bar mit rotierendem Messkolben gefahren. Nach Ende der Messung unter Druck wurde das Nullpunktverhalten des Messsignals überprüft,– eine Nullpunktabweichung hätte eine fehlerhafte Restkraft bei Drucklosigkeit angezeigt. Der Anzeigewert ging bei rotierendem Messkolben und Drucklosigkeit immer zurück auf Null, wodurch ein Messfehler durch axiale Reibung ausgeschlossen werden konnte. Eine weitere Kontrollmöglichkeit der vom Messkolben aufgebrachten Kraft besteht in der Nachrechnung der tatsächlich beaufschlagten Messkolbenstirnfläche nach Vermessen seines Durchmessers mit endmaßkalibrierter Mikrometerschraube. Bei hohen Drücken, unter Berücksichtigung der Querdehnung des Messkolbens, der Aufweitung des Messzylinders unter Druck und dem Einbauspalt ergibt sich ein Rechenwert, der die Höhe der gemessenen Druckkräfte nach bekannten physikalischen Größen, wie E-Module und Querkontraktion durch den errechenbaren Messspalt unter Druck, überprüfbar macht, wobei hier aufgrund der Rotation des Messkolbens von Reibungsfreiheit der axialen Druckkraft ausgegangen wird. Die Rechnung ergab im Vergleich zu den Werten aus den Eichgewichten einen Fehler der Druckkraft unter 0,5% bei 18300 bar! Eine weitere Möglichkeit, die Messgenauigkeit einzuhalten ist, den Höchstdruckmessaufnehmer mit einer elektrischen oder elektronischen Meldeeinrichtung auszuführen, wenn der Messkolben sich nicht dreht. Dies kann z. B. dadurch ausgeführt werden, dass der Strom des antreibenden Motors für die Rotation oder Oszillation gemessen wird und ab Überschreitung eines bestimmten Werts eine Fehlermeldung erfolgt, ebenso könnte eine Messung der Drehbewegung der Antriebsräder des Messkolbens erfolgen, beispielsweise könnte dabei nur bei Drehbewegung der Messwert der Kraftmessdose angezeigt werden bzw. bei Stillstand könnte eine Meldung des nicht betriebsbereiten Zustands erfolgen. Ebenso könnte eine ständige Überprüfung der Drehbewegung oder Oszillation während der Axialkraftbeaufschlagung der Druckmessdose erfolgen, um während der Messung deren höchste Genauigkeit durch ständige Drehbewegung einzuhalten.Such a Hochspannungsmessaufnehmer is characterized in that it is a one-sided druckbeaufschlagbaren, advantageously produced in shrink construction z. Example, has two-caliber measuring cylinder, in which a precisely ground hardened volumetric flask of, for example, 2 mm diameter movable, in particular with typically up to 3 micron game, to a sufficient length of at least ten times its diameter, is fitted, so through the Hagen-Poiseuille'sche Spaltströmung a very good sealing effect arises (because known, the viscosity of typical high-pressure fluids at high pressures increases), but at the same time still avoiding seizure of the volumetric flask in the measuring cylinder by low leakage. Thus, this volumetric flask can move axially in the measuring cylinder. The volumetric flask is acted upon by a fluid under high pressure on the end facing the pressure side. On the pressure-facing end face of the volumetric flask then exerts an axial compressive force on a very accurate load cell, which is then measured. This volumetric flask is now additionally according to the invention characterized in that it is at the same time placed in rotation or in rotational oscillation during its axial pressurization, z. B. by a geared motor, which can rotate the volumetric flask, for example, with a timing belt and corresponding timing pulleys, so that by the pressure caused axial movement is superimposed perpendicular to a rotational movement, which compensates for the measurement error of the axial friction as in the known principle of the pressure balance with weight-loaded rotary piston. In order to achieve the highest possible measuring accuracy, no further force than the axial force should be transmitted as centrically as possible to the load cell. Therefore, the volumetric flask is guided long in the measuring cylinder and arranged at its short free end exactly centered aligned and free of transverse force on the load cell, as is common in Prüfmaschinenbau, z. B. by a convex load button on the load cell and plane ground end faces of the volumetric flask and by arranging all components in an alignment by pinning. In addition to a lateral force-free introduction of force, load cells also generally require the avoidance of torsion or torques on the membrane during the measurement. In order not to transmit torque by rotation or oscillation of the volumetric flask to the load cell and thereby not affect their accuracy, the Hochspannungsmessaufnehmer is inventively characterized in a first embodiment, that a flexurally elastic but torsionally stiff spring steel strip between the measuring piston and load button of the load cell is arranged. In order to be flexible, but torsionally rigid, the width of this spring steel strip in relation to its thickness should be about 30-100, z. B. ie 0.2 mm thick to 10 mm wide. This spring steel strip separates the axial force from the torsional moment of the volumetric flask. On the load cell is transmitted by the spring steel strip, which rests with a small additional force, for example, 2-100 N on the measuring knob of the load cell and is positively connected to a housing outside, only the axial force of the volumetric flask transferred to the load button, its torsional moment is due to the high moment of area However, for example, the 10 mm wide spring steel strip derived at the ends in the housing, so that the power flow from the torque always outside the load cell runs and in the housing, the same time z. B. can wear the geared motor and external flange of the load cell can be. The small additional force on the load cell resulting from the spring action of the spring steel strip is tared to zero at the beginning of the measurement. Instead of a spring steel strip and a membrane between the volumetric flask and the load button of the load cell can be arranged, the membrane then transmits the torsional moment on the outer casing, in which it is clamped or welded, wherein the outer casing at the same time z. B. can wear the geared motor and the load cell. Furthermore, the construction of the high pressure transducer according to the invention is characterized by a simple calibration possibility of the load cell, which can be carried out without dismantling the high pressure transducer:
According to the law that a force can be moved along its line of action, this Hochspannungsmessaufnehmer is characterized in that the load cell has a continuous force-receiving screw in its continuous internal thread, which protrudes on the other side of the load cell, so as to the same line of action of the volumetric plunger a hitch to attach for calibration weights, z. B. with load rings. With the weight force can be applied to the load cell as a calibrated load that is in the same line of action and in the same vectorial orientation as the pressure force of the volumetric flask. This allows the entire measuring chain, z. B. consisting of measuring amplifier, cable and pressure cell, calibrate with weights. This simple procedure can be carried out very quickly, because only calibrated weights (available from any officially authorized repairer for weighing technology) and a load suspension device are required, but no calibrated high pressure, as in the current state of the art. Extensive testing in our laboratory showed that the sensor works perfectly. Also, after the weight calibration, it was moved to 90% of the final value of the load cell (100% corresponded to the calculated pressure of 20 kbar) to 18300 bar with a rotating volumetric flask. After the end of the measurement under pressure, the zero-point behavior of the measuring signal was checked, - a zero deviation would have indicated a faulty residual force in case of pressure loss. The display value always went back to zero with a rotating volumetric flask and no pressure, whereby a measurement error due to axial friction could be ruled out. Another possibility to control the force applied by the volumetric flask consists in the recalculation of the actually applied volumetric flask end face after measuring its diameter with micrometer-gauge micrometer screw. At high pressures, taking into account the transverse expansion of the volumetric flask, the expansion of the measuring cylinder under pressure and the installation gap results in a calculated value, the height of the measured compressive forces according to known physical variables, such as moduli and transverse contraction by the calculable measuring gap under pressure verifiable makes, is assumed here due to the rotation of the measuring piston of friction freedom of the axial pressure force. In comparison to the values from the calibration weights, the calculation showed an error of the compressive force below 0.5% at 18300 bar! Another way to maintain accuracy is to run the high pressure transducer with an electrical or electronic alarm when the volumetric flask is not rotating. This can be z. B. be carried out in that the current of the driving motor for the rotation or oscillation is measured and from exceeding a certain value an error message is, could also be a measurement the rotational movement of the drive wheels of the volumetric flask, for example, could be displayed only during rotational movement of the measured value of the load cell or at standstill, a message of the non-operational state could take place. Likewise, a constant check of the rotational movement or oscillation during the Axialkraftbeaufschlagung the pressure cell could be done to comply during the measurement of their highest accuracy by continuous rotation.

Ausführung der ErfindungEmbodiment of the invention

Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung und die Eichmöglichkeit sind in den Bildern 1 bis 5 dargestellt:The various embodiments of the invention and the calibration facility are shown in Figures 1 to 5:

Bild 1 zeigt einen Längsschnitt des Höchstdruckmessaufnehmers in einer ersten Ausführung;Figure 1 shows a longitudinal section of the Höchstdruckmessaufnehmers in a first embodiment;

Bild 2 zeigt eine Detailansicht aus Bild 1;Figure 2 shows a detail view from Figure 1;

Bild 3 zeigt einen Querschnitt der Ebene A–B aus Bild 1.Figure 3 shows a cross-section of the plane A-B from Figure 1.

Bild 4 zeigt eine andere Ausführung des Höchstdruckmessaufnehmers.Figure 4 shows another version of the high pressure transducer.

Bild 5 zeigt, wie ein Höchstdruckmessaufnehmer in Ausführung nach Bild 1 mit Lasthängevorrichtung und Gewichten zu eichen ist.Figure 5 shows how to calibrate a high-pressure transducer in the version according to Figure 1 with load suspension device and weights.

Die Bilder 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführung der Erfindung in zwei Schnitten und einer Detaildarstellung. Zu sehen ist eine von Deckelschrauben 16 verschraubte und mit Passstiften 22 genau fluchtend zentrierte Anordnung aus einem Messzylinderflansch 1a, einem Abgleichring 10, einer Kraftmessdose 9 und einem Deckelflansch 11. Die Kraftmessdose hat beipielsweise eine Klassengenauigkeit von 0,25% vom Endwert, das Verbindungskabel zum Messverstärker ist nicht dargestellt. Der Messzylinderflansch 1a trägt mit Motorflansch 15 und Motorflanschschrauben 17 einen Getriebemotor 14 (ohne Verkabelung dargestellt), der mit Drehzahlen von typisch 10 Umdrehungen je Minute zu Beginn der Messung anläuft. Der Messzylinderflansch 1a besteht aus hochfestem Stahl, der ein Kernrohr 2, z. B. aus Hartmetall, enthält, das vorteilhaft in den Messzylinderflansch 1a eingeschrumpft ist und somit einen Zweilagen-Zylinder darstellt, der einen Hochdruckraum 38 enthält, welcher ein zu messendes Fluid über eine Dichtkontur 18 von aussen erhält (wobei die Dichtung und die anschließende Verrohrung nicht dargestellt sind). In diesem Hochdruckraum 38 befindet sich ein Messkolben 3 aus gehärtetem Stahl so eingeschliffen, dass er mit sehr geringem Spiel von beispielsweise bis maximal 3 μm axial beweglich ist. Dieser Messkolben 3 hat eine druckzugewandte Stirnseite 19 und eine kraftübertragende Stirnseite 20, wobei vorteilhaft beide Stirnseiten plan geschliffen sind und die Stirnseite 20, wie in Bild 1 ersichtlich, im Bereich ihrer Planfläche vorteilhaft einen bis etwa zweifach vergrößerten Durchmesser hat. Der Messkolben 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Messkolbenantriebsrad 4 in dessen Mittelbohrung im Bereich 21 kraftschlüssig, z. B. durch Klebung oder Schrumpfung, verbunden ist, in Rotation um seine Mittelachse versetzt werden kann und in eine lange Führung durch eine innere Mantelfläche 39 des Kernrohrs 2 aufweist. Das Messkolbenantriebsrad 4 wird z. B. über einen Zahnriemen 12 von einem Motorantriebsrad 13 in Rotation versetzt. Dieses Motorantriebsrad 13 wird mit Hilfe des Getriebemotors 14 in Bewegung gesetzt. Die Drehzahl des Messkolbens 3 soll bei der Messung wenigstens 0,1 Umdrehungen je Sekunde sein. Sobald mm Druck im Hochdruckraum 38 vorhanden ist, wird auf die druckzugewandte Stirnseite 19 des Messkolbens 3 eine Axialkraft ausgeübt. Da die Länge des Messkolbens 3 im Kernrohr 2 um einen Faktor neun oder größer ist als sein Durchmesser, entsteht in dem langen und engen Spalt zur inneren Mantelfläche 39 des Kernrohrs 2 eine sehr geringe Spaltströmung nach Hagen-Poiseuille, verursacht durch das, Druckgefälle, die eine ausgezeichnete Dichtheit des Hochdruckraums 38 ergibt und zugleich eine Schmierung des Messkolbens 3 ermöglicht. So wird die gesamte Druckkraft von der druckzugewandten Stirnseite 19 des Messkolbens 3 auf seine gegenüberliegende, kraftübertragende Stirnseite 20 übertragen, gekennzeichnet dadurch, dass keinerlei axiale Reibung zwischen Messkolben 3 und der inneren Mantelfläche 39 des Kernrohrs mehr entsteht aufgrund der gleichzeitigen Rotation des Messkolbens 3 bei der Kraftübertragung. Weiterhin ist diese Erfindung durch eine torsionsfreie Kraftübertragung des Messkolbens 3 gekennzeichnet, wie nachfolgend erklärt wird: Die kraftübertragende Stirnseite 20 des Messkolbens 3 drückt auf einen Federstahlstreifen 5, der die Axialkraftkomponente aufgrund seiner großen freien Länge zwischen dem Abgleichring 10 und geringer Dicke von beispielsweise unter 0,3 mm, mit geringer Vorpresskraft auf einen mit dem Messkolben 3 fluchtenden, vorzugsweise ballig hergestellten Lastknopf 7 überträgt, jedoch das Torsionsmoment aus der Rotation des Messkolbens 3 auf den Bereich 24 des wegen beispielsweise 10 mm Breite sehr torsionssteifen Federstahlstreifens 5 überträgt. Im Bereich 24 kann der Federstahlstreifen 5 z. B. am Messzylinderflansch 1a festgeklemmt oder geklebt sein oder in einer Einfräsung des Abgleichrings 10 liegen, wodurch das für die Kraftmessdose 9 gefährliche Torsionsmoment von dieser ferngehalten wird, indem es aussen am Messzylinderflansch 1a, der zugleich den Motorflansch 15 tragen kann, ausgeglichen wird. In Bild 2 erkennt man, dass die Kontaktfläche 23 zwischen Federstahlstreifen und Lastknopf 7 nur eine Flächenpressung durch Axialkraft erfährt. In Bild 4 ist eine weitere Variante des eichfähigen Höchstdruckmessaufnehmers dargestellt, die eine Verminderung des Torsionsmoments bei der Kraftübertragung auf sehr kleine Werte ermöglicht:
Hier wird der Federstahlstreifen 5 zur Torsionsmomentausleitung durch eine andere Vorrichtung ersetzt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das aus der Rotation oder Oszillation des Messkolbens 3 bei gleichzeitiger Axialkraftbeanspruchung entstehende Torsionsmoment durch einen losen Lastknopf 36 auf einem Axialkugellager 37, das sich fluchtend zur Mittelachse von Messkolben 3 im Schraubenkopf 41 der Kraftaufnahmeschraube 6 befindet, so stark verringert wird, dass es keine Auswirkung auf die Messgenauigkeit der Kraftmessdose 9 hat. In Bild 5 ist dargestellt, wie der Höchstdruckmessaufnehmer 1 ohne Demontage mit Eichgewichten in einer Lasthängevorrichtung frei aufgehängt werden kann: Dazu wird er auf der Seite vom Messzylinderflansch 1a mittels Lastring 35 und Lastringaufnahme 34 z. B. an einem Kran angehängt, dann wird er längs einer Mittelachse 40, die Mittellinie der Kraftaufnahmeschraube 6 und des Messkolbens 3 ist, dazu fluchtend auf seiner anderen Seite am freien Gewindeende 26 der Kraftaufnahmeschraube 6 mit Lastringaufnahme 32 und Lastring 33 durch Eichgewichte mit einer Kraft F belastet. Diese Anordnung ist also dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft F der Eichgewichte sowohl in ihrer Wirkungslinie als auch in ihrer vektoriellen Orientierung auf die Kraftmessdose 9 eine gleiche Kraftwirkung wie die Druckkraft aus dem Druckraum 38 hat. Somit kann ohne Demontage des eichfähigen Höchstdruckmessaufnehmers 1 die gesamte Messkette vom Messverstärker über die Verkabelung bis zur Druckmessdose 9 durch eine geeichte Gewichtskraft F gleicher Wirkung wie die Druckkraft kalibriert werden.Figures 1 to 3 show a first embodiment of the invention in two sections and a detailed representation. You can see one of lid screws 16 screwed and with dowel pins 22 exactly aligned centered arrangement of a measuring cylinder flange 1a , a matching ring 10 , a load cell 9 and a lid flange 11 , The load cell has, for example, a class accuracy of 0.25% of the final value, the connection cable to the measuring amplifier is not shown. The measuring cylinder flange 1a carries with motor flange 15 and engine flange bolts 17 a geared motor 14 (shown without wiring), which starts at speeds of typically 10 revolutions per minute at the beginning of the measurement. The measuring cylinder flange 1a Made of high strength steel, which is a core tube 2 , z. B. hard metal, containing, which is advantageous in the measuring cylinder 1a has shrunk and thus represents a two-tier cylinder, the high-pressure chamber 38 contains, which a fluid to be measured on a sealing contour 18 received from the outside (the seal and the subsequent piping are not shown). In this high pressure room 38 there is a volumetric flask 3 Made of hardened steel ground so that it is axially movable with very little play, for example, up to a maximum of 3 microns. This volumetric flask 3 has a pressure-facing face 19 and a force transmitting end face 20 , wherein advantageously both end faces are ground flat and the front side 20 , as can be seen in Figure 1, advantageously in the region of its plane surface has a diameter up to about twice enlarged. The volumetric flask 3 is characterized in that it is provided with a volumetric piston drive wheel 4 in the center hole in the area 21 force fit, z. B. by gluing or shrinkage, is connected, can be set in rotation about its central axis and in a long guide through an inner circumferential surface 39 of the core tube 2 having. The volumetric piston drive wheel 4 is z. B. via a toothed belt 12 from a motor drive wheel 13 set in rotation. This motor drive wheel 13 is using the geared motor 14 set in motion. The speed of the volumetric flask 3 should be at least 0.1 revolutions per second in the measurement. Once mm pressure in the high pressure chamber 38 is present, is on the pressure-facing end face 19 of the volumetric flask 3 exerted an axial force. Because the length of the volumetric flask 3 in the core tube 2 by a factor of nine or greater than its diameter, arises in the long and narrow gap to the inner surface 39 of the core tube 2 a very small gap flow according to Hagen-Poiseuille, caused by the, pressure gradient, the excellent tightness of the high-pressure chamber 38 gives and at the same time a lubrication of the volumetric flask 3 allows. Thus, the entire pressure force from the pressure-facing end face 19 of the volumetric flask 3 on its opposite, force-transmitting end face 20 transferred, characterized in that no axial friction between the volumetric flask 3 and the inner surface 39 the core tube more arises due to the simultaneous rotation of the volumetric flask 3 in the power transmission. Furthermore, this invention is achieved by a torsion-free power transmission of the volumetric flask 3 marked, as explained below: The force transmitting end face 20 of the volumetric flask 3 presses on a spring steel strip 5 , which is the axial force component due to its large free length between the balance ring 10 and small thickness of, for example, less than 0.3 mm, with little pre-pressing force on one with the volumetric flask 3 aligned, preferably convex load button 7 transmits, but the torsional moment from the rotation of the volumetric flask 3 on the area 24 of, for example, 10 mm wide very torsion-resistant spring steel strip 5 transfers. In the area 24 can the spring steel strip 5 z. B. on the measuring cylinder flange 1a be clamped or glued or in a milled recess of the balance ring 10 lie, whereby the for the load cell 9 dangerous torsional moment is kept away from this by the outside of the measuring cylinder flange 1a , at the same time the engine flange 15 can be compensated. In picture 2 one recognizes that the contact area 23 between spring steel strip and load button 7 only a surface pressure experienced by axial force. In figure 4 is another variant of the verifiable High-pressure transducer, which allows a reduction in the torsional moment during power transmission to very small values:
Here is the spring steel strip 5 Torsionsmomentausleitung replaced by another device, which is characterized in that from the rotation or oscillation of the volumetric flask 3 with simultaneous axial force stress resulting torsional moment by a loose load button 36 on an axial ball bearing 37 that aligns with the center axis of volumetric flasks 3 in the screw head 41 the power take-off screw 6 is so greatly reduced that it has no effect on the accuracy of the load cell 9 Has. Figure 5 shows how the ultra-high pressure transducer 1 It can be suspended freely in a load suspension device without dismantling with calibration weights: For this purpose, it is placed on the side of the measuring cylinder flange 1a by means of load ring 35 and load recording 34 z. B. attached to a crane, then it is along a central axis 40 , the centerline of the force-bearing screw 6 and the volumetric flask 3 is to be aligned on its other side at the free threaded end 26 the power take-off screw 6 with load recording 32 and load ring 33 loaded by calibration weights with a force F. This arrangement is thus characterized in that the force F of the calibration weights both in their line of action and in their vectorial orientation to the load cell 9 an equal force effect as the pressure force from the pressure chamber 38 Has. Thus, without dismantling the calibratable high-pressure transducer 1 the entire measuring chain from the measuring amplifier via the wiring to the pressure cell 9 be calibrated by a calibrated weight F equal effect as the pressure force.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: HöchstdruckmessaufnehmerHöchstdruckmessaufnehmer
1a1a: MesszylinderflanschMesszylinderflansch
22: Kernrohrcore tube
33: Messkolbenvolumetric flask
44: MesskolbenantriebsradMesskolbenantriebsrad
55: FederstahlstreifenSpring steel strips
66: KraftaufnahmeschraubeForce absorbing screw
77: Lastknopfload button
88th: Gewinde in KraftmessdoseThread in load cell
99: KraftmessdoseLoad cell
1010: Abgleichringadjustment ring
1111: Deckelflanschcover flange
1212: Zahnriementoothed belt
1313: Motorantriebsradmotor drive
1414: Getriebemotorgearmotor
1515: Motorflanschmotor flange
1616: Deckelschraubencover screws
1717: Motorflanschschraubenmotor flange
1818: Dichtkontursealing contour
1919: druckzugewandte Stirnseitepressure facing end face
2020: kraftübertragende Stirnseiteforce transmitting end face
2121: Klebe- oder SchrumpfbereichAdhesive or shrinkage area
2222: Passstiftedowels
2323: Kontaktflächecontact area
2424: Fixierung FederstahlstreifenFixation spring steel strips
2525
2626: Freies GewindeendeFree threaded end
2727: Rückseitige PlanflächeBack plane surface
2828: HochdruckraumHigh-pressure chamber
2929: Radiale SpaltdichtungRadial gap seal
3030: Spaltraumgap
3131: MesskolbenkopfMeasuring piston head
3232: LastringaufnahmeLast ring holder
3333: LastringLastring
3434: LastringaufnahmeLast ring holder
3535: LastringLastring
3636: Loser LastknopfLoose load button
3737: Axiallagerthrust
3838: HochdruckraumHigh-pressure chamber
3939: Innere MantelflächeInner jacket surface
4040: Mittelachsecentral axis
4141: Schraubenkopfscrew head

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009031482 A1 [0002]
DE 10238163 A1 [0002]

Claims

High pressure transducer ( 1 ), characterized in that it is in a pressure chamber ( 38 ) of the core tube ( 2 ) of a measuring cylinder flange ( 1a ) one on an inner circumferential surface ( 39 ) ground and sealed volumetric flasks ( 3 ), which upon pressurization in the pressure chamber ( 38 ) can move axially along an inner circumferential surface ( 39 ) and at the same time performs a rotary movement by means of a driven volumetric piston drive wheel ( 4 ), wherein the volumetric flask ( 3 ) a first end face ( 19 ), which has the pressure chamber ( 38 ) except for a circumferential gap and a second end face ( 20 ), which has a spring steel strip ( 5 ) and at the same time concentrically aligned with a load button underneath ( 7 ) one in a load cell ( 9 ) screwed force take-up screw ( 6 ), wherein the spring steel strip ( 5 ) elastic but torsionally rigid at its two ends in a fixation ( 24 ) of a balancing ring ( 10 ) attached to the measuring cylinder flange ( 1a ) and a motor flange attached thereto ( 15 ) is firmly connected.

High-pressure transducer according to claim 1, characterized in that it is used for calibrating its load cell ( 9 ) with calibration weights does not have to be dismantled, but at the free threaded end ( 26 ) of the power take-off screw ( 6 ) via a load recording ( 32 ) a load ring ( 33 ) can be loaded with calibration weights and via a load receiving ( 34 ) a load ring ( 35 ) is kept suspended in a suspension device in equilibrium with the calibration weights, and this arrangement is characterized in that the weight force (F) in a line of action with a central axis ( 40 ), which at the same time the center line of the volumetric flask ( 3 ) and further characterized in that the force vector of the weight force (F) has the same orientation as the force generated by the pressure on the end faces ( 19 ) and ( 20 ) of the volumetric flask ( 3 ) and therefore in the entire measuring chain the weight force as a calibration standard for that of the volumetric flask ( 3 ) transmitted compressive force can be used.

Calibratable high-pressure transducer according to claim 1, characterized in that the volumetric flask ( 3 ) is displaced in axial force load instead of in continuous rotation in oscillation about its central axis, which is so large that the volumetric flask ( 3 ) performs a, albeit arbitrarily small, rotational path.

High-pressure transducer according to claim 1 and 2, characterized in that it is provided with any high-pressure seal for sealing the high-pressure chamber ( 38 ) against the inner lateral surface ( 39 ) and the volumetric flask ( 3 ) which is connected to the volumetric flask ( 3 ) allows both axial movement and rotation or oscillation.

High-pressure transducer according to claims 1 to 3, characterized in that from the rotation or oscillation of the volumetric flask ( 3 ) with simultaneous Axialkraftbeanspruchung resulting torsional moment by a loose load button ( 36 ) on an axial ball bearing ( 37 ) which is aligned with the central axis of volumetric flasks ( 3 ) in the screw head ( 41 ) of the power take-off screw ( 6 ) is reduced so much that it has little or no effect on the measuring accuracy of the load cell ( 9 ) Has.

High-pressure transducer, according to claims 1 to 4, characterized in that instead of a spring steel strip ( 5 ) a z. B. disc-shaped or rotationally symmetrical flexurally elastic metal membrane between the alignment ring ( 10 ) and measuring cylinder flange ( 1a ), which is centered on the load button ( 7 ) and the torsional moment of the volumetric flask ( 3 ) at its entire clamping area on the measuring cylinder flange ( 1a ).

High-pressure transducer according to claim 6, characterized in that the balancing ring ( 10 ) is already firmly connected to the membrane by welding or gluing or making one-piece.

Hochspannungsmessaufnehmer according to claim 1 to 7, characterized in that it carries out a message when no rotation or oscillation of the volumetric flask takes place.