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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bourdon-Feder.
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Bourdon-Federn, auch als Rohrfedern bezeichnet, werden als Messglied zur Messung von Druckunterschieden eingesetzt. Die meisten mechanischen Druckmessgeräte verwenden eine Bourdon-Feder. Ferner erfolgt die Verwendung in Druckschaltern sowie zur Temperaturmessung in Gasdruckthermometern und Thermostaten. Eine Rohrfeder besteht in der Regel aus einem geplätteten, kreis-, schnecken- oder schraubförmig aufgewickelten Metallrohr und wird nach seinem Erfinder Bourdon-Feder genannt.
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Das Wirkprinzip einer Bourdon-Feder besteht darin, dass bei Druckbeaufschlagung die Feder dazu strebt, sich aufzubiegen. Die Wegänderung des Federendes wird über eine Zugstange auf ein Messwerk übertragen und in eine Drehung der Zeigerachse umgesetzt.
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Bei den Rohrfedern werden zwischen Zug- und Druckfedern, Torsionsfedern sowie Biegefedern unterschieden. Unter die Zug- und Druckfedern fällt unter anderem die Wellrohrfeder. Hierbei wird die Längenausdehnung eines dünnwandigen, auf einer Seite verschlossenen und auf der anderen Seite mit Druck beaufschlagten Wellrohres auf ein Messwerk übertragen. Torsions- oder Drallrohrfedern sind gerade, zu ovalen oder sternförmigen Querschnitt gepresste und in sich tordierte Rohre, die sich unter Druckeinwirkung abwickeln. Auch in diesem Fall wird die Drehbewegung auf eine Zeigerachse übertragen. Während diese beiden Federarten eine technisch untergeordnete Rolle spielen, werden die gekrümmten Biegefedern (Bourdon-Federn) in hohen Stückzahlen produziert und in Manometern, Gasdruckthermometern und Schaltgeräten eingesetzt. Hierbei erfolgt eine Unterteilung der Bourdon-Federn nach ihrer Wicklungsart in Kreisfedern für einen Druckbereich von 0,6 bis 60 Bar, in Schneckenfedern für einen Druckbereich von 60 bis 1000 Bar und Schraubenfedern für einen Druckbereich bis 4000 Bar. Die Anpassung an die verschiedenen Messbereiche erfolgt durch Variationen der Rohrwandstärke, der Rohrquerschnittsgeometrie und des Rohrfeder-Werkstoffes.
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Die Rohrfedern werden meist aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Aufgrund der Tatsache, dass das Messmedium in die Rohrfeder eindringt, muss das verwendete Material beständig gegenüber dem Messmedium sein oder ein flüssigkeitsgefüllter Druckmittler kommt zum Einsatz. Meist werden für die Rohrfedern Messing, Kupfer- oder Kupfernickel-Legierung sowie Edelstahl oder unlegierter Stahl verwendet. Von besonderer Bedeutung ist das sämtliche Rohrfedern so ausgelegt sein müssen, dass diese im normalen Betrieb nicht in den Bereich der plastischen Verformung gelangen und somit ein Manometer überlastet wird, weil sich der Zeiger bei der Druckentlastung nicht mehr bis zum Skalennullpunkt bewegen kann.
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Die Herstellung der Bourdon-Federn erfolgt in einzelnen Schritten. Zunächst werden die runden Ausgangsrohre gewalzt, einseitig verschlossen und mit Sand oder Salz gefüllt. Danach wird das zweite Ende verschlossen und das Ausgangsrohr über einen Dorn gebogen. Anschließend werden die zugedrückten Endstücke geöffnet, um das Füllmaterial zu entleeren und die gebogene Feder zu reinigen. Danach wird das Rohr auf ein Maß von 270 Grad zugeschnitten. Die fertig gestellten Rohrfedern werden anschließend mit einem Prozessträger verschweißt, wobei vorzugsweise das WIG-Schweißen angewendet wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es sich um sehr dünne Rohre mit einer Wandstärke von 0,07 bis 0,9 mm handelt.
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Um die Anschweißung durchzuführen besteht die Notwendigkeit, dass der Federträger eine spezielle Schweißnahtvorbereitung erfährt. Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass die Innenseite der Feder eine starke Spaltkorrosion aufweisen kann sowie außen sehr hohen Anlauftemperaturen ausgesetzt ist, welche sich auf die Hysterese negativ auswirken. Beim WIG-Schweißen von Hand glühen die Federn beispielsweise aus, wodurch eine Verschlechterung der Messergebnisse eintritt. Zudem ist die Maßhaltigkeit nach dem WIG Schweißen außerhalb der Toleranz von +- 0,1 mm, wodurch nach Fertigstellung der Bourdon-Feder die Kinematik für die anschließende Justage nicht gewährleistet ist. Von Nachteil ist des Weiteren, dass bei der Temperaturbehandlung nur die Federn erwärmt werden und nicht das komplette System, bestehend aus der Feder und dem Prozessträger. Nach erfolgter Anschweißung ist ein hoher Prüfaufwand hinsichtlich der Dichtigkeit erforderlich, weil beispielsweise ein Ausschuss von bis zu 30% bei den Federn mit einer Wandstärke von 0,07 mm entsteht. Dadurch, dass die Federn für einen speziellen Messbereich hergestellt werden, ist es ferner erforderlich, dass die Bourdon-Federn gekennzeichnet werden.
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Der vorliegenden Patentanmeldung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein neues Verfahren zur Herstellung einer Bourdon-Feder aufzuzeigen, welches die beschriebenen Nachteile vermeidet und eine Bourdon-Feder zur Verfügung stellt, die anschließend in Druckmessgeräte verbaut werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass folgende Arbeitsschritte verwendet werden:
- - Verwendung eines geraden Profilrohres mit einem annähernd rechteckförmigen Querschnitt,
- - Verschließen eines Endes durch ein angeschweißtes Endstück,
- - Aufnahme eines zweites Endes des Profilrohres in einem Werkzeughalter,
- - Biegen des Profilrohres über einen Dorn,
- - Anlegen zweier Formstücke an die Kontur der vorgebogenen Bourdon-Feder und
- - Druckbeaufschlagung der Bourdon-Feder mit einem 10 bis 100-fachen Druck über dem Nenndruck der Bourdon-Feder.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Um eine wirtschaftliche Herstellung der Bourdon-Feder zu gewährleisten und so wenig Ausschuss wie möglich zu produzieren, wird ein anderer Weg zur Herstellung der Bourdon-Federn beschritten. Ausgehend von einem geraden Profilrohr mit einem annähernd rechteckförmigen Querschnitt wird dieses zunächst an einem ersten Ende verschlossen, während das zweite Ende in einem Werkzeughalter aufgenommen, vorzugsweise eingeklemmt wird. Das Verschließen kann beispielsweise mit einem Endstück in Form einer Kappe erfolgen, die keine Veränderung des Profilquerschnittes erfordert. Die Kappe wird nach der Biegung der Bourdon-Feder nicht entfernt und in dieser Form weiterverwendet. Die Biegung des Profilrohres erfolgt über einen Dorn, wobei zunächst nicht die Idealform der Bourdon-Feder erreicht wird. Um beispielsweise Oberflächenverformungen zu beseitigen und die gewünschte Baugröße zu erhalten, werden zwei Formstücke an die Kontur der vorgebogenen Bourdon-Feder angelegt und eine Druckbeaufschlagung der Bourdon-Feder mit einem 10 bis 100-fachen Druck über dem Nennwert der Bourdon-Feder vorgenommen. Durch die Druckbeaufschlagung wird das gebogene Profilrohr an die beiden Formstücke angepresst, sodass die Oberfläche geglättet wird und hierbei eine plastische Verformung eintritt, sodass sich kleinere Anrisse selbstständig verschließen. Das hierbei angewendete Verfahren wird als Autofrettage bezeichnet. Durch die Anwendung der Autofrettage erfolgt zudem eine Materialverdichtung, wodurch die Dichtigkeit der Bourdon-Feder erhöht wird. Zur Druckbeaufschlagung während der Autofrettage kann hierbei ein Druck von bis zu 1000 Bar verwendet werden. Der besondere Vorteil dieses Herstellungsverfahren besteht darin, dass die Lebensdauer der Bourdon-Feder gesteigert wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die gebogene Bourdon-Feder einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen wird, wodurch Spannungen innerhalb der Bourdon-Feder aufgrund der vorgenommenen Biegung beseitigt werden.
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Von besonderem Vorteil des angewendeten Verfahrens ist, dass die Verbindung zwischen Profilrohr und Endstück durch Laserschweißen ohne Schweißzusatzstoff erfolgt. Durch Verwendung des Laserschweißens erfolgt somit kein Ausglühen der Verbindungsstellen und es entsteht kein Verzug, sodass die fertig zugeschnittenen Bourdon-Federn ohne besondere Justage in ein Manometer eingebaut werden können. Das Laserschweißen wird auch zur späteren Verschweißung mit einem Prozessträger angewendet. Die Bourdon-Feder weist eine sehr hohe Reproduzierbarkeit durch das angewendete Verfahren auf, wobei die ausgangsseitig verwendeten Profilrohre bereits auf Maß zugeschnitten werden können. Durch den geringen Wärmeeintrag beim Laserschweißen wird dieser nicht auf die Bourdon-Feder übertragen, wodurch eine Verbesserung der Hysterese, Linearität und Streckdruckwerte erreicht wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Profilrohr mit Wachs oder Blei vor dem Biegen aufgefüllt wird. Die Verfüllung des Profilrohres erfolgt in der Regel dann, wenn besonders große Bourdon-Federn gebogen werden müssen, wobei nach erfolgter Biegung und Entnahme aus dem Werkzeughalter das Wachs oder Blei durch Erwärmen der Bourdon-Feder abfließen kann und nach dem erneuten Einklemmen in dem Werkzeughalter mithilfe zweier Formstücke und einer Druckbeaufschlagung die gewünschte Materialverdichtung hergestellt wird. Eine Druckbeaufschlagung ist sowohl bei Bourdon-Federn mit oder ohne vorheriger Befüllung vorgesehen. Sowohl bei der Biegung ohne Füllung des Profilrohres als auch mit Füllung, können Profilrohre mit einem rechteckförmigen Querschnitt eingesetzt werden, wobei die Profilkanten abgerundet ausgeführt sein können. Soweit geringfügige Verformungen des Profilrohres nach erfolgter Biegung vorhanden sein sollten, werden diese spätestens mit der Autofrettage beseitigt. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Federform mit einem rechteckförmigen Profilrohr flach gebogen werden kann, ohne das eine Verringerung der Lebensdauer der Bourdon-Federn durch eine Verformung der Kanten eintritt. Durch das Autofretieren wird im Weiteren eine Überlastsicherheit erreicht, die bei hohem Drücken von Bedeutung ist. Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Profilrohr am ersten Ende mit einer Flanschscheibe verschweißt wird, beispielsweise durch Laserverschweißung, um zu einem späteren Zeitpunkt eine Verbindung mit dem Prozessträger oder Federträger durch Schweißen herzustellen. Die Flanschscheibe kann im weiteren dazu verwendet werden, dass diese zum Klemmen in einem Werkzeughalter mit korrespondierender Klemmvorrichtung verwendet wird.
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Zur Anwendung des Verfahrens wird ein Werkzeughalter verwendet, der das erste Rohrende einklemmend aufnimmt und über mindestens ein Dichtungselement den Außenbereich des Rohres abdichtet. Die Abdichtung ist deshalb erforderlich, weil über den Werkzeughalter im Innenraum des Rohres ein Druck von bis zu 1000 Bar entstehen soll. Die Abdichtung erfolgt vorzugsweise über O-Ringe, die innerhalb des Werkzeughalters in einer Nut einliegen und beim Einschieben des zweiten Rohrendes sich an die Außenwandung des Rohres anlegen und abdichten. Gegebenenfalls können auch alternative Dichtungselemente zum Einsatz kommen, soweit sichergestellt ist, dass die Außenwandung des Rohres gegenüber dem Werkzeughalter abgedichtet wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass ein Werkzeughalter verwendet wird, welcher einen abgedichteten Flanschhalter aufweist, um eine Bourdon-Feder aufzunehmen, die mit einer Flanschscheibe an ihrem ersten Ende verschweißt ist. Beide Möglichkeiten garantieren eine zuverlässige Abdichtung um den Innenraum des Rohres mit einem Druck von bis 1000 bar zu beaufschlagen.
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Der Werkzeughalter besitzt im weiteren einen Fluideingang, welcher mit dem Innenraum des Rohrendes über einen Kanal zur Druckbeaufschlagung verbunden ist. Somit kann ein Fluid über den Kanal unmittelbar in den Innenraum des Rohrendes gelangen, um eine Autofrettage vornehmen zu können.
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Das Profilrohr selbst kann aus Stahl, Edelstahl, einer Sonderlegierung oder aus Messing bestehen und wird vor dem Biegen in der Regel gezogen. Mithilfe der Profilrohre können hierbei Bourdon-Federn in den Nenngrößen 40, 63, 100 und 160 hergestellt werden. Aufgrund der Verschweißung mithilfe der Lasertechnik und ohne Schweißzusatzstoff entstehen keine Verunreinigungen im Innenraum der Feder und es tritt somit auch keine Spaltkorrosion nach der Herstellung auf. Nach erfolgter Fertigstellung der Bourdon-Federn können diese in herkömmlicherweise gestempelt werden. Soweit keine Verunreinigungen vorhanden sind und ein absolut sauberes Schweißergebnis vorliegt, eignen sich die Bourdon-Federn hervorragend für die Reinstgas-industrie. Die Bourdon-Federn werden hierbei als Rohlinge angeboten und können von den Erwerbern beispielsweise mit einem Prozessträger verschweißt werden, der die Möglichkeit bietet, das Druckmessgerät an vorhandene Rohrleitungssysteme anzuschließen.
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Durch eine ganzheitliche Temperaturbehandlung der Bourdon-Feder und des Federträgers oder eines Prozessträgers wird eine sehr gute Hysterese mit Abweichungen von 0,2 % erreicht, während nach den bekannten Herstellungsverfahren der Bourdon-Federn Abweichungen von 0,4 bis 0,6 % entstehen.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich somit im Wesentlichen dadurch aus, dass das neuartige Verfahren zur Herstellung der Bourdon-Feder von einem geraden gezogenen Profilrohr ausgeht, welches einen annähernd rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Nach dem Anschweißen eines Endstücks an das Profilrohr, vorzugsweise über ein Laserschweißverfahren, besteht die Möglichkeit, das zweite Ende des Profilrohres in ein Werkzeughalter abdichtend aufzunehmen, sodass der eigentliche Verfahrensprozess zur Biegung der Bourdon-Feder eingeleitet werden kann. Hierbei erfolgt das Biegen des Profilrohres zunächst über einen Dorn. Ein wesentlicher Verfahrensschritt besteht im Anschluss darin, dass zwei Formstücke an die Kontur der vorgebogenen Bourdon-Feder angelegt werden und eine Druckbeaufschlagung der Bourdon-Feder mit einem 10 bis 100-fachen Druck über dem Nennwert der Bourdon-Feder erfolgt. Diese Druckbeaufschlagung als Autofrettage bezeichnet, führt zu einer Materialverdichtung und gewünschten Formgebung der Bourdon-Feder die im Weiteren dazu führt, dass diese ohne weitere Nachbearbeitung in beispielsweise einem Manometer eingebaut werden kann. Spätere Justagearbeiten sind somit nicht erforderlich.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 ein gerades Profilrohr vor dem Einklemmen in einem Werkzeughalter,
- 2 das Profilrohr nach erfolgtem Einklemmen in einem Werkzeughalter,
- 3 in einer Seitenansicht eine Bourdon-Feder mit Werkzeughalter und einer Bearbeitungsmöglichkeit zur Herstellung der notwendigen Krümmung,
- 4 eine Bourdon-Feder mit Werkzeughalter nach erfolgter Bearbeitung mit einliegendem Dorn,
- 5 in einer teilweisen geschnittenen Ansicht eine Bourdon-Feder mit Werkzeughalter und Formstücken zur Druckbeaufschlagung und
- 6 in einer Seitenansicht eine Bourdon-Feder mit Prozessträger und Messwerk.
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1 zeigt in einer Seitenansicht ein Profilrohr 10, welches an einem Ende rechtwinklig ausgeführt ist und an dem gegenüberliegenden Ende eine Abschrägung 11 aufweist. Die Abschrägung 11 ist zur Anlage und Verschweißung mit einem späteren Prozessträger gedacht.
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2 zeigt in einer Seitenansicht das noch nicht gebogene Profilrohr 10 und einen Werkzeughalter 12. Ein erstes Ende des Profilrohrs 10 ist hierbei mithilfe eines Laserverfahrens mit einer Kappe 8 verschweißt, sodass der Innenraum des Profilrohres einseitig verschlossen ist. Das offene zweite Ende des Profilsrohrs ist in einem Werkzeughalter 12 aufgenommen. Der Werkzeughalter 12 weist einen Durchbruch 13 auf, in welche das Profilrohr 10 eingeschoben werden kann. Zur Abdichtung sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Dichtungen 14 in Form von O-Ringen vorgesehen. Die O-Ringe 14 ruhen hierbei in einer Ausnehmung 15 des Werkzeughalters 12. Der Werkzeughalter 12 besitzt einen Fluideingang 16, welcher über einen Verbindungskanal 17 mit dem Innenraum des Rohres 10 verbunden ist. Auf diese Weise kann somit über den Fluideingang 16 und dem Verbindungskanal 17 eine Druckbeaufschlagung des Rohres 10 erfolgen. Die Druckbeaufschlagung kann mithilfe eines gasförmigen oder flüssigen Mediums erfolgen und wird vorgenommen, um den letzten Arbeitsschritt zur Herstellung der Bourdon-Feder 1 vorzunehmen.
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3 zeigt eine nahezu vorgebogene Bourdon-Feder 1 mit Werkzeughalter 12 und einem Dorn, um den die Bourdon-Feder 1 entweder gebogen oder wie im gezeigten Ausführungsbeispiel mithilfe eines Hammerwerkzeuges 19 die notwendige Krümmung erhält. 2 zeigt die bereits vollständig gekrümmte Bourdon-Feder 1 mit Kappe 8 und Anschlussfahne 9.
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4 zeigt in einer Seitenansicht nochmals die fertiggestellte Bourdon-Feder 1 mit Werkzeughalter 12 nach erfolgter Fertigstellung. Durch den Verformungsprozess der Bourdon-Feder 1, entweder durch Hämmern oder Walzen um einen Dorn 18 kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Oberfläche der Bourdon-Feder 1 Unregelmäßigkeiten aufweist, die einerseits unerwünscht sind und andererseits zur Beeinflussung der Hysterese führen können. In einem weiteren Verfahrensschritt wird daher die Bourdon-Feder 1 mit einem 10 bis 100-fach höheren Druck als dem eigentlichen Nenndruck beaufschlagt, damit eine Materialverdichtung des Profilrohres vorgenommen werden kann und gleichzeitig eine Glättung der Außenflächen innerhalb zweier Formstücke erfolgt.
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5 zeigt den letzten Arbeitsschritt zur Herstellung der Bourdon-Feder 1 mit Werkzeughalter 12, und zwar werden an die Bourdon-Feder 1 zwei Formstücke 20, 21 angelegt, die die endgültige Form der Bourdon-Feder 1 bestimmen. Nach erfolgter Anlegung der Formstücke 20, 21 wird über den Fluideingang 16 und Verbindungskanal 17 das unter Druck stehende Fluid in das Innenrohr der Bourdon-Feder 1 eingeleitet. Sowohl der Verbindungskanal 17 als auch der Fluideingang 16 sind Bestandteil des Werkzeughalters 12 in dem das Rohr 10 abdichtend eingeklemmt ist. Die Abdichtung erfolgt hierbei über die beiden O-Ringe 14. Die Bourdon-Feder 1 wird hierbei mit einem Druck der 10 bis 100-fach höher liegt als der Nenndruck der Bourdon-Feder 1 beaufschlagt. Hierdurch wird erreicht, dass das Material des Profilrohres 10 einerseits innerhalb der Formstücke 20, 21 verdichtet wird und gleichzeitig die äußere Fläche geglättet wird. Die beiden Formstücke 20, 21 werden hierbei durch geeignete Maßnahmen zusammengehalten. Nach erfolgter Druckbeaufschlagung ist die Bourdon-Feder 1 fertiggestellt und kann mit beispielsweise einem Prozessträger verschweißt werden.
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6 zeigt ein mögliches Anwendungsbeispiel für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bourdon-Feder 1. In einer Seitenansicht wird eine fertiggestellte Bourdon-Feder 1 mit Prozessträger 2 und einem Messwerk 25 dargestellt. Bei der Bourdon-Feder 1 handelt es sich um eine Feder, wie sie in den vorhergehenden Figuren dargestellt ist und mithilfe zweier Formstücke in die endgültige Form gebracht wurde. Die Bourdon-Feder 1 ist einenends mit dem Prozessträger 2 laserverschweißt und anderenends über die Kappe 8 und einer Anschlussfahne 9 sowie einem Verbindungselement 26 mit dem Messwerk 25 verbunden. Von dem Messwerk 25 ist nur eine äußere Montageplatte 27 ersichtlich, welche mit dem Prozessträger 2 verschraubt ist. Die Bewegung der Bourdon-Feder 1 wird über das Anschlusselement 26 auf ein frei zugängliches Ende eines Betätigungshebels 28 übertragen, welcher über eine Verzahnung mit einem Zahnradritzel kämmt. Das aus dieser Ansicht nicht ersichtliche Zahnradritzel ist hierbei auf einer Drehachse 29 angeordnet, welche gleichzeitig zur Aufnahme eines ebenfalls nicht dargestellten Zeigers vorgesehen ist. Das Anschlusselement 28 ist hierbei in einem Drehpunkt 30 gelagert.
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Die gesamte Anordnung bestehend aus dem Prozessträger 2, der Bourdon-Feder 1 und dem Messwerk 25 wird hierbei in einem Gehäuse aufgenommen, welches das Messwerk vor Verschmutzungen schützt und zur Befestigung einer Skala einerseits verwendet wird. Der Zeiger wird danach auf der Drehachse 29 befestigt. Der Prozessträger 2 wird mithilfe des Gewindes 5 in ein vorhandenes Rohrleitungssystem eingeschraubt oder eine entsprechende Einrichtung, wobei durch einen Kanal der innerhalb des Stutzens 31 des Prozessträgers 2 verläuft, das zu messende Medium in die Bourdon-Feder 1 gelangt und in Abhängigkeit des Druckes die Bourdon-Feder 1 ihre Krümmung verändert, sodass diese Bewegung über das Verbindungselement 26 und Anschlusselement 28 auf das Messwerk 25 und damit auf die Drehachse 29 übertragen, sodass ein Zeigerauschlag erfolgt. Aufgrund einer hohen Produktionsgenauigkeit der Bourdon-Feder 1 entfallen hierbei die üblichen Justierarbeiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bourdon-Feder
- 2
- Prozessträger
- 5
- Außengewinde
- 7
- freies Ende
- 8
- Kappe
- 9
- Anschlussfahne
- 10
- Profilrohr
- 11
- Abschrägung
- 12
- Werkzeughalter
- 13
- Durchbruch
- 14
- O-Ringe
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Fluideingang
- 17
- Verbindungskanal
- 18
- Dorn
- 19
- Hammerwerkzeug
- 20
- Formstück
- 21
- Formstück
- 25
- Messwerk
- 26
- Verbindungselement
- 27
- Montageplatte
- 28
- Betätigungshebel
- 29
- Drehachse
- 30
- Drehpunkt
