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Einrichtung zur Anzeige oder Regelung von Zustandsgrößen mit spannungsfreier
stopfbuchsloser Torsionsdurchführung durch ein Gehäuse mit hohem statischem Druck
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Anzeige oder Regelung von Zustandsgrößen
mit spannungsfreier stopfbuchsloser Torsionsdurchführung durch ein Gehäuse mit hohem
statischem Druck.
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Bei Einrichtungen dieser Art ist der Vergleich zweier Drehmomente
nach dem Kompensationsprinzip an sich bekannt. So wirkt bei einer an sich bekannten
Stromwaage an einem Waagebalkensystem eine Richtkraft der vom Gleichstrom durchflossenen,
im Kraftfeld des Magneten schwebenden Spule der auf der anderen Seite des Balkens
wirkenden Druckkraft der Membran entgegen. Das Waagebalkensystem trägt ein Strahlrohr,
dem über eine Drossel Druckluft zugeführt wird und das ausschlagabhängig die Druckkraft
der Membran steuert und damit die Richtkraft des Gleichstroms kompensiert.
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Es ist auch an sich bekannt, die an sich beliebige, auf die linke
Waagenbalkenseite der selbsttätigen Waage einwirkende Kraft gegen eine von einer
elektrischen Größe ausgeübten Gegenkraft auszuwiegen.
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In einer pneumatischen Variante dieser Einrichtung werden die auf
den Waagebalken einwirkenden Druckkräfte durch den von einem Kraftverstärker über
Leitungen und Federungsbälge ausgeübten Druck ausgewogen.
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Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, für diese an
sich bekannten Einrichtungen eine solche Durchführung durch das Gehäuse zu schaffen,
daß bei großen statischen Drücken und hohen Temperaturen die Durchführung selbst
keine Verfälschung der zu übertragenden Maßgrößen ergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Durchführungsrohr
mit einem Hebel und dem als Prallplatte ausgebildeten Anzeigehebel eine starre Verbindung
darstellt und einen Kraftverstärker so beeinflußt, daß die vom Hebel auf das Durchführungsrohr
ausgeübte Kraft durch den vom pneumatischen Kraftverstärker über die Druckleitung
und einen Federungsbalg ausgeübten Druck ausgewogen wird.
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Eine solche Torsionsdurchführung hat den großen Vorzug, daß das Durchführungsrohr
selbst sehr dünn gehalten werden kann. Dies ist deshalb möglich, weil der Drehwinkel,
den das Durchführungsrohr bei einer Belastungsänderung erfährt, nur dem Aussteuerungsbereich
des Kraftverstärkers zu entsprechen hat und eine zusätzlich höhere Belastung durch
Stöße, die das Durchführungsrohr erfährt und die eine bleibende Verformung des Durchführungsrohrs
hervorrufen könnten, durch Anschläge unterbunden wird.
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Es wird also erstmals eine Mittelachssteuerung geschaffen. Der grundlegende
Vorteil gegenüber der an sich bekannten Torsionsdurchführung zur Anzeige oder Regelung
von Zustandsgrößen besteht darin, daß hier bei verschiedenen Belastungsänderungen
das Durchführungsrohr in der neutralen Phase gehalten wird.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen werden,
daß an der Vereinigung des Durchführungsrohres mit einem Übertragungsstab ein zweites
Durchführungsrohr verbunden ist, das mit dem eigentlichen Druckraum nicht in Verbindung
steht und ebenso wie der Übertragungsstab, der sich in der Mittelachse dieses Rohres
befindet, nach außen geführt und mit einem Hebel verbunden ist, während sich am
Übertragungsstab ein zweiter Hebel befindet, der mit dem Kraftverstärker zusammenarbeitet,
der die durch die wechselnde Belastung erzeugte Drehbewegung in einem Druck umsetzt,
der auf einen Federungskörper einwirkt, dessen Kraft über ein Übersetzungsgestänge
auf den ersten Hebel so zur Wirkung kommt, daß diese Drehbewegung aufgehoben wird.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Durchführung, die besonders für große
statische Drücke und hohe Temperaturen ausgebildet ist und mit Vorteil in der einschlägigen
chemischen Industrie Verwendung findet; Fig. 2 zeigt eine Variante von Fig. 1 in
der Richtung, daß die Durchführung vor allem zur Herausführung und Anzeige von Differenzdrücken
aus Räumen hohen statischen Druckes dient.
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In Fig. 1 bedeutet im einzelnen 1 das Gehäuse, das den Raum A hohen
statischen Druckes von der Atmosphäre B trennt. Das auf Torsion beanspruchte Rohr
2 ist mit der Gehäusewand I im Punkt 3 druckdicht verbunden. Diese Verbindung kann
mit Flansch oder Konus vorgenommen werden.
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Im Rohr 2 ist der Übertfagungsstab 4 koaxial angeordnet. Er ist mit
dem Torsionsrohr 2 in Punkt 5 druckdicht verschweißt. Der Übertragungsstab 4 mit
dem Torsionsrohr 2 ist in seiner Mittelachse im Punkt 6 innerhalb des Druckraumes
A gelagert. Diese Lagerung ist als Gleitlager angedeutet; es kann aber auch als
Feder- oder Schneidenlager ausgebildet werden.
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Am verdickten Ende 7 des Üb ertragungsstab es 4 greift radial der
Übertragungshebel 8 an. Dieser Übertragungshebel 8 ist nun bei der Niveauregelung
mit einem Tauchkörper 9 belastet. Die Gewichtsveränderung dieses Tauchkörpers 9
bei steigendem oder fallendem Niveau erzeugt eine Drehbewegung des Torsionsrohres
2, die durch den Übertragungsstab 4 nach außen in die Atmosphäre B auf den Hebel
10 übertragen wird. Der Ubertragungsstab 4 ist in dem Punkt 11 drehbar gelagert.
Dieses Lager kann ebenfalls als Feder- oder Schneidenlager ausgebildet werden.
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Der Hebel 10 arbeitet mit dem tÇbersetzungsgestänge 12 zusammen,
das im Punkt 13 gelagert ist.
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Mit Hilfe der verstellbaren Rändelmutter 18 kann das Übersetzungsverhältnis
des Gestänges 12 zur Anzeigevorrichtung zu dem Zweck verändert werden, um bei verschieden
großen Antriebskräften (spezifische Gewichtsänderung) die verschieden großen Bewegungen
des Hebels 10 in einen möglichst gleich großen Ausschlag der Anzeigevorrichtung
15 umzuwandeln. Die Stellung der Rändelmutter 18 ist gleichzeitig ein Maß für die
Größe des spezifischen Gewichtes; ihr ist die Skala 19 zugeordnet, die in spezifischen
Gewichten geeicht sein kann.
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Wesentlich für die Anordnung von F i g. 1 ist also, daß das nach
außen geführte Ende des sich im Torsionsrohr 2 befindenden Ubertragungsstabes 4
einen Hebel 10 trägt, der kraftschlüssig mit einem Übersetzungsgestänge verbunden
ist, das seinerseits zur Regelung oder pneumatischen Anzeige mit einem pneumatischen
Verstärker 17 zusammenarbeitet.
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Diese in Fig. 1 dargestellte Durchführung wird hauptsächlich dann
verwandt, wenn zu den großen statischen Drücken hohe Temperaturen kommen. Sie arbeitet
nach der Nullmethode. Das Torsionsrohr 2 wird in seiner Mittelstellung nicht mehr
auf Torsion beansprucht. Es überträgt lediglich die Drehspannung 4 auf den Hebel
10.
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Bei hohen Temperaturen von etwa 4000 C läßt das Material in seiner
Spannung nach. Die Materialspannung kann selbst nicht mehr zur direkten Anzeige
herangezogen werden, da sich die Kennlinie mit der Temperatur von 2000 C ab sehr
stark ändert. Der Obertragungsstab 4 erfährt unabhängig von der Temperatur bei der
gleichen Belastung auch die gleiche Drehspannung. Dieses bei gleicher Belastung
stets gleiche Drehmoment wird nach außen in den Raum B auf den Hebel 10 übertragen.
Der Hebel 10 arbeitet ebenfalls mit einem pneumatischen Kraftverstärker 17 direkt
oder indirekt zusammen. Der durch die Bewegung des Hebels 10 in Zusammenarbeit mit
dem Kraftverstärker 17 erzeugte Druck wird durch die Leitung 20 auf einen Federungskörper
21 über-
tragen, der durch das Übersetzungsgestänge 12 derart auf den Hebel 22 drückt,
daß eine der Drehspannung entgegengesetzte gleich große Kraft ausgeübt wird.
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Das Torsionsrohr 2 wird also nur im Augenblick der zu übertragenden
Kraftänderung auf Torsion beansprucht; bei den verschiedensten Belastungen bleibt
das Rohr stets in seiner spannungsfreien Mittellage. Der größte Ausschlag, den dieses
Rohr erfährt, wird durch den Hebel 10 und den Kraftverstärker 17 bestimmt. Bei einer
Düse von 0,4 mm Durchmesser ist dieser Ausschlag l/o mm. Durch Wahl des Übersetzungsverhältnisses
des Hebels 10 zum Kraftverstärker 17 kann der Winkelausschlag, der nötig ist, um
diesen t/o-mm-Weg zu durchlaufen, außerordentlich gering sein.
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Durch Anordnung der Feder 23 am Hebel 22 kann eine bestimmte Vorbelastung,
hervorgerufen durch das Eigengewicht des Tauchkörpers 9, aufgenommen werden, so
daß lediglich die Kraft in Steuerdruck umgesetzt wird, die für die Anzeige von Wichtigkeit
ist. Der Druck in der Leitung 20, der sich nun nach Größe der Drehspannung selbständig
einstellt, wird zur Regelung und Fernanzeige durch den Anschluß des betreffenden
Instrumentes an die Leitung 28, die mit der Leitung 20 verbunden ist, herangezogen.
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Durch Änderung der Lage der Rändelmutter 18 auf dem Gestänge 12 kann
das tXbersetzungsverhältnis so eingestellt werden, daß der Druck in der Leitung
20 0,2 bis 1 atü bei der gewünschten Niveauänderung beträgt, die auf den Tauchkörper
9 zur Einwirkung kommt. Durch die Feder 24 kann der Vordruck von 0,2 atü, der auf
den Federungskörper einwirkt, aufgehoben werden.
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In Fig. 2 sind wiederum die gleichen Teile wie wie in Fig. 1 mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wesentlich für die in F i g. 2 gezeigte Anordnung ist nun, daß am
Übertragungsstab 4 dort, wo er mit dem Torsionsrohr 2 verschweißt ist, ein zweites
Rohr 25 verbunden ist, das mit dem eigentlichen Druckraum A nicht in Verbindung
steht und ebenso wie der Übertragungsstab 4, der sich an der Mittelachse dieses
Rohres 25 befindet, nach außen geführt und mit einem Hebel 26 verbunden ist, während
sich am Obertragungsstab 4 als zweiter Hebel der Hebel 10 befindet, der mit einem
Kraftverstärker 17 zusammen arbeitet, der die durch die wechselnde Belastung erzeugte
Drehbewegung in einen Druck umsetzt, der auf den Federungskörper 21 einwirkt, dessen
Kraft über ein Übersetzungsgestänge 12 auf den Hebel 26 so zur Einwirkung kommt,
daß diese Drehbewegung aufgehoben wird.
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Diese in Fig.2 dargestellte Durchführung, die gleichfalls nach der
Nullmethode arbeitet, ist besonders zur Herausführung von Differenzdrücken aus Räumen
hohen statischen Druckes geeignet, wobei die Differenzdruckmembran bei den verschiedenen
Druckbelastungen stets in der Mittellage bleibt. Der Differenzdruck, der durch den
Hebel 8 zur Einwirkung gebracht wird, steuert durch den tJbertragungsstab 4 und
den Hebel 10 den pneumatischen Kraftverstärker 17, und zwar derart, daß bei steigendem
Differenzdruck der Druck in der Leitung 20 steigt.
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Dieser steigende Druck kommt auf dem Federungskörper 21 zur Wirkung.
Die Kraft des Federungskörpers 21 wird durch das Übersetzungsgestänge 12
und
die Rändelmutter 18 auf den Hebel 26 übertragen. Der Hebel 26, der mit dem zweiten
Torsionsrohr 25 fest verbunden und im Punkt 27 gelagert ist, überträgt sein Drehmoment
auf das zweite Torsionsrohr2S, das dem vom Differenzdruckmeßwerk erzeugten Drehmoment
entgegenwirkt.
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Der Übertragungsstab wird nicht auf Drehung beansprucht. Er hat lediglich
die Aufgabe, die Stellung des Hebels 8 durch den Hebel 10 anzuzeigen. Die Bewegung
des Hebels 10, der direkt oder indirekt mit dem pneumatischen Kraftverstärker 17
zur am menarbeitet, kann durch Wahl des Obersetzungsverhältnisses bei dem geringsten
Ausschlag diesen Kraftverstärker so beeinflussen, daß er seinen gesamten Steuerdruckbereich
durchläuft. Durch diese Art der Übertragung wird erreicht, daß der Hebel 8, an dem
die Differenzdruckmembran angreift, auch bei verschiedenen Belastungen stets die
gleiche Lage beibehält.
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Um bei einer starken Übersetzung der Bewegung des Hebels 10 auf den
pneumatischen Kraftverstärker 17 die Reaktionskraft auf diesen Hebel vollkommen
zu vermeiden, ist es zweckmäßig, einen Drosselkraftverstärker mit einer Luftstrahlvorsteuerung
zu verwenden. Auch in diesem Fall wird mit Hilfe der Rändelmutter 18 das Obersetzungsverhältnis
des Gestänges 12 zum Hebel 26 so eingestellt, daß bei Belastung des Federungskörpers21
mit einem Druck von 0,2 bis 1 atü dieser Druck dem zu messenden Differenzdruckbereich
entspricht. Die Leitung 28, die mit der Leitung 20 verbunden ist ist mit einem Druckanzeigeinstrument,
das in Differenzdruck, Menge usw. geeicht ist, verbunden.
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Die Leitung 28 wird in diesem Fall zur Fernübertragung benutzt, da
das Differenzdrucksystem mit seinem Übertragungsmechanismus direkt der Meßstelle
zugeordnet werden kann, während das Anzeigeinstrument in der Schalttafel untergebracht
ist.
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Die hier beschriebenen Torsionsdurchführungen haben im Vergleich
mit den elastischen Durchführungen, die auf Biegung beansprucht werden, den großen
Vorteil, daß sie in ihren Durchmessern sehr klein gehalten werden können. Diese
Verkleinerung des Durchmessers hat wiederum den großen Vorteil, daß sie für die
höchsten statischen Drücke verwendet werden kann. Ein großer Vorteil besteht auch
darin, daß große statische Drücke und hohe Temperaturen nie eine Torsionsbeanspruchung
erzeugen können. Der Nullpunkt wird also stets gehalten. Der Nachteil der auf Biegung
beanspruchten Durchführungen besteht hauptsächlich darin, daß zur Heraus-
führung
der Kraft ein gewisser Durchmesser des Übertragungsstabes nicht unterschritten werden
darf, da die Differenzdruckmembran sonst aus ihrer Nulllage kommt, wenn der Übertragungsstab
selbst sich bei dem zu übertragenden Biegungsmoment durchbiegt.
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Durch den verhältnismäßig großen Durchmesser dieses Übertragungsstabes
kommt der statische Druck auf die elastische Durchführung und seine Lagerung in
hohem Maße zur Einwirkung und kann von sich aus Biegemomente erzeugen. Die elastische
Durchführung selbst ist bei diesen Anordnungen sehr dünn zu halten, was auf Kosten
der Betriebssicherheit geht.