DE1166506B - Vorrichtung zum Messen von Druecken und Differenzdruecken stroemungsfaehiger Medien - Google Patents

Vorrichtung zum Messen von Druecken und Differenzdruecken stroemungsfaehiger Medien

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DE1166506B
DE1166506B DES61483A DES0061483A DE1166506B DE 1166506 B DE1166506 B DE 1166506B DE S61483 A DES61483 A DE S61483A DE S0061483 A DES0061483 A DE S0061483A DE 1166506 B DE1166506 B DE 1166506B
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DE
Germany
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pressure
hollow body
pressures
measuring
coil
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Pending
Application number
DES61483A
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English (en)
Inventor
Gunnar Arvidson
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GKN Aerospace Sweden AB
Original Assignee
Svenska Flygmotor AB
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

  • 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.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Hohlkörpers (1) in einem Spulenträger (3) senkrecht und symmetrisch zur Hohlkörperachse die Erregerspule (10) und die Abtastspule (11) angeordnet sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper als geschlossener Zylinder ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (10, 11) mit ihrer Längsachse zueinander senkrecht stehen.
  4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, mit Temperaturausgleich, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) hermetisch abgeschlossen und der Druck innerhalb des Hohlkörpers (1) auf einen vorbestimmten Wert eingestellt ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 714 992, 723 026, 745893, 906625; USA.-Patentschriften Nr. 2096 106, 2466 809, 2474 146, 2635462, 2662408, 2669 877, 2848710.
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