-
Vorrichtung zum Messen von Drücken und Differenzdrücken strömungsfähiger
Medien Vorrichtungen zum Messen von Drücken und Differenzdrücken strömungsfähiger
Medien auf elektrischem Wege sind an sich in zahlreichen Ausführungsformen bekannt.
Insbesondere sind derartige Meßvorrichtungen bereits mit einem mindestens einseitig
Meßdruck beaufschlagten Hohlkörper, der Bestandteil eines. rückgekoppelten, elektromagnetischen
Schwingungssystems ist und dessen Schwingungsfrequenz druckabhängig ist und als
Maß für den zu messenden Druck bzw. Differenzdruck gemessen wird, bekanntgeworden.
-
Solche Vorrichtungen sind in vielen Fällen deshalb vorteilhaft, weil
sie die zu messende Größe in ein elektrisches Signal umwandeln können, dessen Frequenz
sich nach dem Meßwert richtet. Ein solches Signal kann über große Entfernungen durch
Draht oder Funk übertragen werden, ohne daß sich die Frequenz des Signals bei der
Übertragung verändert.
-
Der Meßwert selbst bleibt deshalb durch die Übertragung unbeeinflußt
und kann beispielsweise auch mit fotografischen oder magnetischen Mitteln aufgezeichnet
werden, um anschließend durch Abspielen der Aufnahme wiedergegeben zu werden. Ein
weiterer Vorteil dieser Meßvorrichtungen besteht darin, daß sie die Umwandlung der
Meßwerte von der Analogform in die Digitalform in einfacher Weise und mit hoher
Genauigkeit mittels Impulszählung gestatten.
-
Die letztgenannten Druck- bzw. Differenzdruckmeßvorrichtungen vermeiden
dabei insbesondere mechanische Übertragungsvorrichtungen, welche zu Fehlern bei
der Meßwertübertragung führen können, weil das mechanische Glied Teil eines elektromagnetischen
Schwingungssystems ist. Dabei ist es außerdem bekannt, die Druckmessung mit Hilfe
eines mechanischen Schwingungssystems unter Rückkopplung vorzunehmen.
-
Dennoch sind die bekannten Meßvorrichtungen dieser Art nicht frei
von Nachteilen. Insbesondere macht der Einbau des Hohlkörpers in den elektromagnetischen
Schwingungskreis Schwierigkeiten, ebenso wie die sichere Unterbringung und der Anschluß
der erforderlichen Zuleitungen. Dadurch ist eine dauerhafte Ausgestaltung der bekannten
Meßvorrichtungen dieser Art nicht möglich, und es besteht die Gefahr, daß das Meßergebnis
bei längerem Gebrauch und einsetzendem Verschleiß der Vorrichtung ungenau wird.
-
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile und
Schwierigkeiten der bekannten Meßvorrichtungen zu vermeiden.
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Messen von Drücken und
Differenzdrücken strömungsfähiger Medien mit einem mindestens einseitig meßdruckbeaufschlagten
Hohlkörper, der Bestandteil eines rückgekoppelten, elektromagnetischen Schwingungssystems
ist und dessen Schwingungsfrequenz druckabhängig ist und als Maß für den zu messenden
Druck bzw. Differenzdruck gemessen wird.
-
Erfindungsgemäß werden die oben bezeichneten Vorteile und Möglichkeiten
grundsätzlich dadurch erreicht, daß innerhalb des Hohlkörpers in einem Spulenkörper
senkrecht und symmetrisch zur Hohlkörperachse die Erreger- und die Abtastspule angeordnet
sind.
-
Im übrigen ist die Erfindung auf verschiedene Weise zu verwirklichen.
-
Als zweckmäßig hat die Erfindung insbesondere erkannt, dies so vorzunehmen,
daß der Hohlkörper als geschlossener Zylinder ausgebildet ist. Dadurch besteht die
Möglichkeit, die Temperaturabhängigkeit des Meßgerätes weitgehend zu vermindern.
Man legt hierzu lediglich den unbekannten Druck bei einer absoluten Druckmessung
auf die äußere Oberfläche des Hohlkörpers, während im Inneren des Hohlkörpers zwischen
dem Spulenträger und der Innenwand des Hohlkörpers ein gasförmiges Medium eingeschlossen
wird, dessen Druck bei ansteigenden Temperaturen anwächst, wodurch wiederum eine
Frequenzerhöhung erwirkt wird, die dem Einfluß infolge der Elastizitätsverminderung
entgegenwirkt.
-
Das Anwachsen des Druckes des eingeschlossenen Gases ist proportional
der Druckhöhe, so daß man durch Einstellen dieser Druckhöhe auf einen geeigneten
Wert den bestmöglichen Temperaturausgleich erzielen kann.
-
Als zweckmäßig hat die Erfindung ferner erkannt, die beiden Spulen
mit ihrer Längsachse zueinander senkrecht anzuordnen. In diesem Falle ist die elektromagnetische
Kopplung zwischen den beiden Spulen sehr gering, nämlich theoretisch gleich Null,
so daß der Eigenstrom einer Spule eine sehr geringe Ausgangsspannung in der anderen
Spule erzeugt, so lange der Hohlkörper nicht schwingt. Dadurch läßt sich die Konstruktion
des Verstärkers beträchtlich vereinfachen.
-
Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen vor allem neben
der durch sie erreichbaren gedrängten und kompakten Ausführung der Meßvorrichtung,
die deshalb außerordentlich widerstandsfähig ist und kaum einem Verschleiß unterliegt,
vor allem darin, daß sie, wie oben erläutert, eine Vereinfachung des elektromagnetischen
Schwingungskreises ermöglicht und außerdem praktisch temperaturunabhängig ausführbar
ist.
-
Die Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung
an Hand der Figuren in der Zeichnung. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die
Vorrichtung und Fig.2 und 3 verschiedene Schwingungsformen des druckempfindlichen
Schwingkörpers der Vorrichtung.
-
In den Figuren ist eine Vorrichtung zum Messen von Drücken und Differenzdrücken
strömungsfähiger Medien mit mindestens einseitig Meßdruck beaufschlagtem und mit
1 in den Figuren bezeichnetem Hohlkörper, der Bestandteil eines rückgekoppelten,
elektromagnetischen Schwingungssystems ist und dessen Schwingungsfrequenz druckabhängig
ist und als Maß für den zu messenden Druck bzw. Differenzdruck gemessen wird, dargestellt.
Innerhalb des Hohlkörpers 1 ist ein Spulenträger 3 angeordnet, der senkrecht und
symmetrisch zur Hohlkörperachse die Erregerspule 10 und die Abtastspule 11 aufweist.
-
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Hohlkörper als
geschlossener Zylinder ausgebildet.
-
Der Hohlkörper 1 weist einen dicken ringförmiger Flansch 2 auf. Der
Spulenträger 3 ist in den Flansch 2 eingepaßt und wird in diesem durch einen in
den Flansch 2 eingeschraubten Schraubring 15 gehalten.
-
Um den Spulenträger 3 bildet der Hohlkörper 1 einen abgeschlossenen
Zwischenraum 4.
-
Der Flansch 2 weist außen einen Paßsitz für die Aufnahme eines äußeren
Gehäuses 5 auf, welches durch Schrauben 6, die in Bohrungen des Flansches 2 eingreifen,
an Ort und Stelle gehalten wird. Rings um den Hohlkörper 1 bildet das äußere Gehäuse
5 einen abgeschlossenen Zwischenraum 7. An seinem Kopf besitzt das äußere Gehäuse
eine Öffnung 8, durch die ein Druckmittel in den Zwischenraum 7 eingebracht wird.
Eine andere Öffnung 9 ist in dem Flansch 2 zur Zuleitung eines Druckmittels in den
Zwischenraum 4 vorgesehen.
-
Von den im Spulenträger 3 angebrachten Spulen besitzt die Spule 10
einen Weicheisenkern 12 und die Spule 11 einen Permanentmagnetkern 13. Gemäß dem
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Spulen 10 und 11 mit ihrer Längsachse
zueinander senkrecht angeordnet.
-
Elektrische Leitungen treten durch den Spulenträger und führen zu
den Spulen, wie bei 14 angedeutet.
-
Zur Erklärung des Meßprinzips der oben beschriebenen Vorrichtung
dienen die Fig. 2 und 3. Sie zeigen, wie bei Stromzuführung zu einer der Spulen
der Hohlkörper 1 in verschiedene Schwingungsformen von Eigenschwingungen versetzt
wird. In den Fig. 2 und 3 geben die ausgezogenen Linien den Gleichgewichtszustand
und die gestrichelt gezeichneten Linien die Endstellungen des Hohlkörpers 1 an.
-
Solche Schwingungen können wegen der durch sie verursachten Erzeugung
einer elektromotorischen Kraft in der Spule 11 gemessen werden.
-
Um einen absoluten Druck messen zu können, wird das betreffende Druckmittel
durch irgendeine der Öffnungen 8, 9 zugeführt, während durch die andere Öffnung
ein Medium mit bekanntem Druck eingeführt wird. Bei Druckdifferenzmessung wird jedes
Druckmittel durch eine bestimmte Öffnung eingeführt. Es ist ersichtlich, daß in
beiden Fällen ein Druck auf die innere Fläche der Hohlkörperwandung 1 wirkt und
der andere Druck auf die äußere Fläche der Wandung.
-
Während der Schwingung des Hohlkörpers ändert sich, falls eine Druckdifferenz
zwischen seiner inneren und der äußeren Oberfläche besteht, sein Querschnitt, so
daß die Wandung eine der Druckdifferenz entsprechende Formänderungsarbeit leistet.
Hierdurch beeinflußt die Druckdifferenz die Eigenfrequenz des Hohlkörpers.
-
Wenn f die Eigenfrequenz, A die Amplitude an einem beliebig gewählten
Punkt, und 1 p die Druckdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite des Hohlkörpers
bezeichnet, so erhält man die nachfolgend angegebenen Ausdrücke bezüglich der kinetischen
und potentiellen Energie unter der Voraussetzung, daß die Schwingungsform unabhängig
von der Druckdifferenz ist. K1. K2, K3 sind Konstanten, die sowohl von dem Material
und den Abmessungen des Zylinders als auch von der Schwingungsform abhängig sind.
-
Die kinetische Energie in der Gleichgewichtsstellung beträgt: ER
= KlA' 2.
-
Die potentielle Energie in den Endstellungen auf Grund elastischer
Verformung beträgt: EE = K2A-.
-
Die potentielle Energie in den Endstellungen auf Grund der geleisteten
Formänderungsarbeit entsprechend der Druckdifferenz ist: K3A2 lp.
-
Bei Resonanz gilt: ER = EE + Ep und dementsprechend K1A212 K2A' +
K;sA2Ip;
Damit ist die Frequenz von p abhängig. Eine entsprechende Auswirkung ergibt sich
ebenso in bezug auf andere geometrische Formen des Hohlkörpers.
-
In der Ausführungsform entsprechend F i g. 1 wird die Messung der
Eigenfrequenz des Hohlkörpers wie folgt durchgeführt: Die Spule 10 wird mit einem
Gleichstrom gespeist und diesem ein Wechselstrom überlagert. Wenn die Frequenz dieses
Wechselstromes
gleich der Eigenfrequenz des Hohlkörpers ist, wird
der Hohlkörper in Schwingungen versetzt. Hierdurch wird wiederum eine Wechselspannung
gleicher Frequenz in der Spule 11 induziert. Die Eigenfrequenz kann durch Regeln
der Frequenz des Erzeugerstromes so bestimmt werden, daß die induzierte Spannung
in der Spule 11 ein Maximum wird.
-
Die Eigenfrequenz kann gleichfalls durch Kupplung der beiden Spulen
über einen Verstärker bestimmt werden, so daß ein Eigenschwingungssystem ähnlich
wie bei einem Stimmgabelschwingungserzeuger entsteht. Die Frequenz der Schwingung
ist dann gleich der Eigenfrequenz des Zylinders und kann durch Ableitung eines Signals
von dem Verstärker und Übertragung zu einem Frequenzmesser gemessen werden.
-
Das beispielsweise beschriebene Meßinstrument ist nicht ganz temperaturunabhängig.
Entsprechend der Verringerung des Elastizitätsmoduls des schwingenden Körpers bei
ansteigenden Temperaturen sinkt die Frequenz geringfügig. Diese Auswirkung kann
bei absoluter Druckmessung verringert werden, indem man den unbekannten Druck auf
der äußeren Oberfläche des schwingenden Körpers (Zwischenraum 7) angreifen läßt,
während der innere Zwischenraum 4 des Körpers hermetisch abgeschlossen wird. Der
Druck des in dem hohen Körper eingeschlossenen gasförmigen Mediums wächst mit ansteigenden
Temperaturen an, wodurch wiederum eine Frequenzerhöhung bewirkt wird, die dem Einfluß
infolge der Elastizitätsverminderung entgegenwirkt. Das Anwachsen des Druckes des
eingeschlossenen Gases ist proportional der Druckhöhe. Durch Einstellen dieser Druckhöhe
auf einen geeigneten Wert erhält man den bestmöglichen Temperaturausgleich.