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Mit Zeigerwerk oder elektrischer Kontaktanordnung ausgerüstetes Druckmeßsystem
Die Erfindung betrifft ein mit Zeigerwerk oder elektrischer Kontaktanordnung ausgerüstetes
Druckmeßsystem, welches in einem mit dem Rezipienten in Verbindung stehenden Meßraum
ein abgeschlossenes beheizbares Federelement aufweist.
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Mechanische Druckmeßgeräte nach dem Bourdonprinzip haben in der Technik
weite Verbreitung gefunden Die Verstellkräfte für das W+1eßsystem gehen dabei von
einem hohlen Federelement aus, dessen äußerer Umfang größer ist als der innere Umfang
und bei dem entweder der Federinnenraum oder die Umgebung der dann unmittelbar an
die Außenluft angeschlossenen Bourdonfeder mit dem zu messenden Druck in Verbindung
gebracht werden. Derartige Bourdonfedermeßinstrumente sind auch bereits zur Messung
von Unterdrücken angewendet worden, dabei zeigt sich jedoch eine sehr ungünstige
und mit den Ausbildungen des Zeigerwerkes nicht genügend beeinflußbare Skaleneinteilung,
bei der niedrigere Druckwerte unterhalb etwa 1 Torr nicht mehr hinreichend aufgelöst
werden können. Da ein solches Druckmeßgerät wegen seines einfachen Aufbaues und
des relativ großen Meßbereiches für viele Betriebsmessungen gut verwendbar ist,
bestand die Aufgabe, eine verbesserte Ausführungsform zu schaffen, welche auch nach
dem Bereich niedriger Drücke hin eine ausreichende Skalenanzeige ermöglicht. ohne
daß hierzu eine wesentlich kompliziertere Mechanik oder aufwendige Hilfsmittel erforderlich
sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Beheizung
des Federelementes zur Vergrößerung der Auslenkung im Unterdruckbereich mit wenigstens
annähernd konstanter Heizleistung erfolgt und das Federelement eine an sich bekannte
Füllung mit einer mindestens teilweise dampfförmigen Substanz von vorgegebenem Dampfdruck
enthält.
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Das neuartige Druckmeßsystem vereinigt die Vorteile der vorbekannten
Federmeßsysteme mit denen der sogenannten Wärmeleitungsmanometer, welche in der
Vakuumtechnik allgemein bekannt sind.
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Bei einem Wärmeleitungsmanometer wird von der physikalischen Tatsache
Gebrauch gemacht, daß sich die Wärmeabgabe eines beheizten Meßelementes in einem
umgebenden Vakuumraum in einem mittleren Bereich, etwa zwischen 10 und 10-3 Torr,
erheblich druckabhängig ändert. Dies kann beispielsweise in einer Widerstandsänderung
des Meßelementes zum Ausdruck kommen, und die Druckmessung entspricht dann einer
Bestimmung eines elektrischen Widerstandes, wie sie mit den bekannten Meßverfahren
leicht und mit hoher Genauigkeit durchführbar ist.
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Zur Erläuterung des beschriebenen Zusammenhanges wird auf Fig. 1 Bezug
genommen, in der die Abhängigkeit der Wärmeleitzahl ? vom Druck p graphisch dargestellt
ist. Man erkennt, daß bei höheren Drücken nur eine sehr geringe Abhängigkeit der
Wärmeleitzahl vom Druck besteht, die dann im Bereich zwischen 10 und 1V-3 Torr wesentlich
stärker in Erscheinung tritt, während bei noch höheren Vakua nur noch eine kaum
merkliche Änderung in Abhängigkeit vom Druck auftritt.
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Man erkennt zwar bereits bei der Hochdruckmessung die Hintereinanderschaltung
mehrerer dampfgefüllter Membransysteme zur Erzeugung einer Druckkaskade7 wobei durch
eine Druckuntersetzung die Belastung der auf der Hochdruckseite befindlichen verformbaren
Federelemente vermindert werden soll.
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Derartige Anordnungen sind jedoch für Unterdruckmessungen unbrauchbar,
und zur Erzielung einer eichbaren Skalen anzeige im Unterdruckbereich fehlt vor
allem das wesentliche Merkmal der Beheizung mit konstanter Heizleistung. Für die
Druckmessung in Bohrlöchern sind bereits Druckmeßsysteme angegeben worden, bei denen
ein durch eine Membranplatte abgeschIossener Innenraum eine nichtleitende Flüssigkeit
enthält, welche durch ein elektrisches Heizelement beheizt werden kann. Bei der
Druckverformung der Membran wird ein elektrischer Schaltkontakt ausgelöst, welcher
die Heizvorrichtung einschaltet. Durch die Beheizung des abgeschlossenen Innenraumes
entsteht ein solcher Überdruck, der die Verformung der Membran rückgängig macht
und somit die elektrischen Kontaktteile wieder trennt. In diesem Betriebszustand
entspricht der Innendruck
dem zu messenden Außendruck und kann rechnerisch
in einfacher Weise ermittelt werden. Auch hier fehlt im Vergleich mit der Erfindung
jede Verwendbarkeit zur Unterdruckmessung; außerdem erfolgt die Beheizung keinesfalls
mit wenigstens annähernd konstanter Heizleistung, sondern ist intermittierend ausgebildet.
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Versucht man, die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Druckmeßgerätes
zu erläutern, so kann man zunächst von den Eigenschaften eines normalen Federmeßelementes
ausgehen und im Bereich zwischen 760 und 10 Torr annehmen, daß die zusätzlich vorhandene
Beheizung der Bourdonfeder zunächst ohne wesentlichen Einfluß bleibt, und sich diese
lediglich in bekannter Weise unter dem Einfluß der Druckkräfte verformt. Erreicht
man bei steigendem Unterdruck schließlich Druckwerte, bei denen die Wärmeableitung
der Bourdonfeder behindert ist, so wirkt sich dies in einer Temperatursteigerung
des Innenraumes der Feder aus. In diesem Innenraum befindet sich jedoch eine Substanz,
welche bei Zimmertemperatur einen Dampfdruck von einigen Torr oder je nach der Skalenteilung
höheren Werten aufweisen soll. Bei einer Füllung mit Isobutylalkohol, die hier beispielsweise
vorausgesetzt werden soll, beträgt der Dampfdruck bei Zimmertemperatur etwa 10 Torr.
Erwärmt sich nunmehr infolge der durch die Evakuierung des Umgebungsraumes behindertem
Wärmeableitung das Bourdonfederelement, so tritt abhängig von der Temperatursteigerung
bei annähernd konstanter Heizleistung eine Drucksteigerung im Innenraum des Federelementes
ein, welche eine weitere Verformung und damit zur Anzeige ausnutzbare Einstellkräfte
liefert. In Fig. 2 ist der Druckverlauf im Inneren der Feder bei einer Temperatursteigerung
zwischen 30 und 700 C, wie sie praktischen Ausführungsbeispielen entspricht, aufgetragen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Skalenteilung des erfindungsgemäßen
Druckmeßgerätes, wobei im Bereich zwischen 760 und 10 Torr ausschließlich die bekannten
mechanischen Verformungskräfte an der Feder wirksam sind, während das Gebiet zwischen
10 und 10-3 Torr vor allem durch die Drucksteigerung im Inneren der Feder unter
der Wirkung der eingetretenen Temperatursteigerung bestimmt wird. Durch die Wahl
einer Feder mit bestimmten geometrischen Abmessungen und entsprechender Federungselastizität
ist es zusammen mit einer demgemäß angepaßten Dampffüllung möglich, die verschiedensten
Skalencharakteristika zu realisieren.
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Eine günstige Beeinflussung des Skalenverlaufes kann auch durch eine
Kombination von mindestens einem dampfgefüllten Federelement mit einem oder mehreren
Elementen von an sich bekannter Konstruktion erreicht werden. Dabei kann es zweckmäßig
sein, zur Bildung einer gemeinsamen Stellgröße, welche einen Zeiger oder einen Schaltkontakt
betätigt, die Auslenkung aller Systeme mit gleicher Übersetzung wirksam werden zu
lassen oder aber durch mechanische Zwischenglieder unterschiedliche Übersetzungen
hinsichtlich der einzelnen Federelemente hervorzurufen.
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Eine zweckmäßige Ausführung zur Beheizung des Federelementes verwendet
den direkten Stromdurchgang durch den Federkörper, wobei das Federelement als Heizelement
ausgebildet ist. Grundsätzlich ist im Betrieb des Meßgerätes eine konstante Heizleistung
anzustreben,
da sich jedoch der elektrische Widerstand des Heizkörpers innerhalb der zugelassenen
Temperatursteigerung nur relativ wenig erhöht, kann man durch Konstanthalten der
Spannung z. B. mit Hilfe eines magnetischen Spannungskonstanthalters, eine ausreichende
Genauigkeit in der Konstanthaltung des Produktes U² N = U # I = R erzielen.
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Der Dampfdruck der im Innenraum des Federelementes vorhandenen dampfbildenden
Substanz liegt bei Zimmertemperatur zweckmäßig zwischen 10 und 100 Torr. In Sonderfällen
können aber auch abweichende Werte zweckmäßig sein. Bei den Substanzen, die zum
Dampfbilden im Innenraum der Feder eingeschlossen werden, handelt es sich bevorzugt
um organische Flüssigkeiten, z. B. auch halogenierte Kohlenwasserstoffe.
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Bei der Herstellung eines für ein Druckmeßgerät nach der Erfindung
geeigneten Federelementes geht man zweckmäßigerweise so vor, daß man zunächst den
hohlen Innenraum evakuiert, und daran anschließend eine dosierte Menge der zur Dampfbildung
vorgesehenen Substanz, vorzugsweise in flüssigem Zustand, einbringt. Danach wird
der Innenraum vakuumdicht verschlossen. Die eingebrachte Menge der dampfbildenden
Substanz kann vorteilhaft so groß bemessen werden, daß in jedem Temperaturzustand
beim Betrieb des Druckmeßgerätes im Innenraum der Feder gesättigter Dampf vorhanden
ist. Es sind ferner Ausführungen möglich, bei denen eine geringere Menge der dampfbildenden
Substanz eingebracht wird, so daß von einer bestimmten Temperatur des Federelementes
zu höheren Temperaturen hin ungesättigter Dampf vorliegt.
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Man kann das erfindungsgemäße Druckmeßgerät auch für die Messung
eines Druckbereiches zwischen einem über Atmosphärendruck gelegenen Druckwert und
entsprechendem Unterdruck ausbilden. Hierbei ist es im wesentlichen erforderlich,
ein steiferes Federelement zu benutzen. Ein Mittel zur Erweiterung des Druckmeßbereiches
nach höheren Drücken über Atmosphärendruck hin ist eine Vergrößerung der Steifigkeit
des Federelementes.
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Die Zeichnung dient der Erläuterung des Erfindungsgegenstandes. Es
zeigt Fig. 1 eine graphische Darstellung der Wärmeleitzahl, Fig. 2 eine graphische
Darstellung des Druckverlaufes im Federelement, Fig. 3 eine Skalenteilung für ein
Druckmeßgerät nach der Erfindung, Fig. 4 eine Vorderansicht eines Druckmeßgerätes,
Fig. 5 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform eines Druckmeßgerätes, Fig.
6 eine Kombination zweier Federelemente.
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Auf den Inhalt der Fig. 1 bis 3 ist bereits bei der Erläuterung des
Meßprinzips ausführlich Bezug genommen worden.
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In Fig. 4 erkennt man in einem dosenförmigen Gehäuse, welches zum
Anschluß an den Rezipienten eine Verbindungsleitung 11 mit Anschlußflansch 12 aufweist,
ein kreisförmig gestaltetes Federelement 2, welches in einer Haltemuffe 3 an einem
gehäusefesten Tragestück 4 gehalten ist, so daß das eine Ende des Federelementes
2 feststeht. Das andere freie
Ende dieses Federelementes 2 ist unter
dem Einfluß der Druckkräfte bewegbar und über einen Seilzug 5 an ein Rollenelement
6 angeschlossen. Dieses Rollenelement 6 erhält durch eine Spiralfeder 7, welche
bei 8 am Gehäuse 1 befestigt ist, eine entsprechende Vorspannung, welche den Seilzug
5 spannt und je nach der Lage des freien Endes wles Federelementes 2 eine zugeordnete
Gleichgewichtslage des Rollenelementes 6 herbeiführt. Die dabei vorliegende Drehstellung
des Rollenelementes 6 wird über einen Zeiger 9 auf einer Skala 10 als Druckwert
sichtbar gemacht. Zur Beheizung des Federelementes 2 durch direkten Stromdurchgang
im Federkörper sind dessen beide Enden über Zuleitungen 29, 31 an eine Spannungsquelle
30 angeschlossen, welche als magnetischer Spannungskonstanthalter arbeitet, wodurch
sich - wie bereits im vorangegangenen beschrieben - eine ausreichend konstante Heizleistung
erzielen läßt.
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In Fig.S findet ein dosenförmiges Federelement 13 Anwendung, welches
in dem Gehäuse 1 unter Zwischenschaltung eines Haltestiftes 14 an dem Tragestück
4 befestigt ist. Das Federelement 13 trägt im Bereich seines Mittelpunktes einen
Teil 15 eines elektrischen Schaltkontaktes, dessen anderer Teil 16 an einem isolierten,
gleichfalls gehäusefesten Haltestück 17 angebracht ist. Der Kontaktteil 17 steht
über eine Verbindungsleitung 18 mit einem in das Gerätegehäuse 1 unter Zwischenschaltung
eines Isolierstückes 19 eingesetzten Anschlußelement20 in Verbindung.
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Im Bereich der Umfangfläche des dosenförmigen Federelemetes 13 sind
Heizwindungen 21 eines elektrischen Heizelementes aufgebracht, die über entsprechende
Zuleitungen29, 31 an eine hier nicht gezeichnete Spannungsquelle analog Teil 30
in Fig. 4 angeschlossen werden. In dieser Anordnung arbeitet das Druckmeßsystem
als Vakuumschalter und bei einem entsprechenden Druckwert wird der aus den Kontaktteilen
15 und 16 bestehende elektrische Schaltkontakt betätigt und dadurch das Anschlußelement
20 an Masse gelegt oder hiervon getrennt.
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In der schematischen Darstellung nach Fig. 6 ist ein dosenförmiges
Federelement 22 üblicher Ausführung, d. h. ohne Dampffüllung, über eine Zahnstange
23 direkt mit einer gezahnten Drehrolle 24 eines Meßwerkes gekuppelt. Auf die gleiche
Drehrolle 24 wirkt über einen weiteren Zahnstangenantrieb 25 ein dampfgefülltes
dosenförmiges Federelement 26 ein, wobei jedoch durch die Zwischenschaltung von
Übersetzungszahnrädern 27, 28, 32 ein anteilmäßig ungleiche Zusammensetzung der
von beiden Federelmenten 22, 26 hervorgerufenen Verschiebebewegungungen in dem einen
Summenwert bildenden Rollen-
element 24 erreicht wird. Eine solche Anordnung kann
unter Umständen wesentliche Vorteile hinsichtlich einer angestrebten speziellen
Skalenteilung erreichen.