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Druckumwandler Die Erfindung betrifft einen Druckumwandler zur Messung
des Drucks mit einem Hohlkörper aus ferromagnetischem Material, in dessen Innenraum
das unter dem zu messenden Druck stehende Medium geleitet wird und an den induktiv
eine Veränderungen der magnetischen Permeabilität des Materials auf Grund druckabhängiger
mechanischer Spannungen des Hohlkörpers anzeigende Nachweisschaltung angekoppelt
ist.
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Es ist bekannt, daß die Größe der magnetischen Permeabilität ferromagnetischer
Materialien durch mechanische Spannungen verändert werden kann, die in den Materialien
erzeugt werden. Auf diese Weise kann der magnetische Fluß durch das magnetische
Material proportional der erzeugten mechanischen Spannung geändert werden. Derartige
Druckumwandler sind bereits bekannt. Beispielsweise wird ein Rohr aus ferromagnetischem
Material als Kern eines Transformators verwendet, bei dem ein im Innenraum des Rohres
erzeugter Druck ein Druckgefälle in der Rohrwandung zur Folge hat, das seinerseits
eine mechanische Spannung in dem Material hervorruft. Eine derartige Spannung ändert
die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Rohres, wodurch die Kopplung
zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators im wesentlichen dazu
proportional geändert wird. Mit zwei derartigen Transformatoren mit einem hohlen
ferromagnetischen Kern, wobei der Innenraum des einen Kerns einem Bezugsdruck und
derjenige des anderen dem zu messenden Druck ausgesetzt wird, kann bei geeignet
geschalteten Wicklungen der Transformatoren eine Druckdifferenzmessung erfolgen.
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Bei derartigen bekannten Einrichtungen treten jedoch wesentliche
Schwierigkeiten auf. Eine Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß das elektrische
Ausgangssignal, das für das Druckgefälle kennzeichnend ist, wegen des hohen magnetischen
Widerstands der magnetischen Kreise derartiger Druckumwandler nur äußerst schwach
ist. Eine zweite Schwierigkeit ist darin zu sehen, daß die Anwesenheit anderer magnetischer
Materialien in der Umgebung derartiger Druckumwandler die magnetische Permeabilität
und damit auch den magnetischen Fluß von den Rohren des Druckumwandlers beträchtlich
beeinflußt. Aus diesem Grund ist es oft erforderlich, eine magnetische Abschirmung
um die bekannten magnetischen Druckumwandlerkreise vorzusehen, um durch Störeinflüsse
verursachte Änderungen der Permeabilität zu verhindern.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Druckumwandler anzugeben,
der elektrische Ausgangssignale größerer Amplitude als bekannte Einrichtungen dieser
Art liefert und bei dem ferner die Größe des Ausgangssignals unabhängig von dem
Vorhandensein von magnetischen Materialien in der Umgebung des Umwandlers ist, so
daß keine magnetische Abschirmung erforderlich ist.
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Ein Druckumwandler der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper ein Toroid ist. Auf diese Weise wird
ein vollständig geschlossener magnetischer Kreis erreicht. Das Fehlen von Luftspalten
in dem magnetischen Kreis gewährleistet einen kleineren magnetischen Widerstand,
als dies bisher möglich war, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß die elektrischen
Ausgangssignale der elektrischen Nachweisschaltung stärker sind. Da der magnetische
Fluß des Druckumwandlers praktisch vollständig innerhalb des geschlossenen magnetischen
Kreises des Umwandlers verläuft, ist er ferner von magnetischen Materialien in der
Umgebung praktisch unabhängig. Es ist zwar in der Druckmeßtechnik ein verformbares
Toroid bekannt, bei diesem wird aber ein Dehnungsmeßstreifen verwendet, um ein dem
Druck proportionales elektrisches Signal abzuleiten.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Schaltung so
ausgebildet sein, daß die Schaltung eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist,
die konzentrisch zueinander auf das Toroid aufgewickelt sind und mit diesem einen
Transformator bilden.
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Ein besonders vorteilhafter Betrieb eines ferromagnetischen Druckumwandlers
kann erzielt werden, wenn ein ferromagnetisches Material Verwendung findet, bei
dem die Änderung der Größe der magnetischen Permeabilität in Abhängigkeit von der
mechanischen Spannung im wesentlichen anisotrop ist, d. h. also eine räumlich nicht
gleichförmige Anderung der Größe in Abhängigkeit von der Richtung erfolgt, in der
die Spannung erzeugt wird. Bei den meisten ferromagnetischen Materialien wird die
Permeabilität durch Spannungen parallel zu den magnetischen Feldlinien erhöht, während
Spannungen senkrecht zu dem Fluß die Permeabilität erniedrigen.
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Durch Verwendung ferromagnetischer Materialien, die sich durch eine
wesentlich größere Permeabilitätsänderung auf Grund von Spannungen in einer Richtung
als auf Grund von Spannungen in einer dazu senkrechten Richtung auszeichnen, werden
deshalb stärkere Ausgangssignale erhalten, als dies sonst möglich wäre.
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Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß derartige Druckumwandler
eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit des Drucks von der Größe des Ausgangssignals
innerhalb eines großen Spannungsbereichs aufweisen.
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Ein zweiter genau gleicher Druckumwandler kann relativ zu dem ersten
derart geschaltet werden, daß das elektrische Ausgangssignal der Nachweisschaltung
dem Unterschied zwischen den auf die beiden Umwandler einwirkenden Drücken entspricht.
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Der eine Umwandler kann dabei als Bezugseinrichtung und der andere
als Meßeinrichtung dienen. Eine Änderung des Drucks in dem Meßumwandler führt zu
einer Änderung der Spannung, dem das ferromagnetische Material des Toroids ausgesetzt
ist, und damit zu einer Anderung der magnetischen Permeabilität des Toroids. Dadurch
wird eine Änderung der Impedanz der elektrischen Schaltung des Meßtoroids verursacht,
was zu einer Änderung des abgeglichenen Zustands der entgegengesetzt in Reihe geschalteten
Spulen führt. Deshalb wird in einer angeschlossenen Nachweisschaltung ein Druckgefälle
zwischen dem zu messenden und dem Bezugsdruck in dem Bezugsumwandler angezeigt.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf einen toroidförmigen Druckumwandler, von dem
Teile weggebrochen sind, F i g. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele von Differenzdruckmeßgeräten
mit zwei Umwandlern gemäß Fig. 1 und Fig. 4 eine graphische Darstellung der Arbeitscharakteristik
des Ausführungsbeispiels in Fig. 3, wobei auf der Ordinate Mikroampere und auf der
Abszisse der Druck in Einheiten von 2,54 cm Quecksilbersäule aufgetragen sind.
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Das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 zeigt einen Druckumwandler mit
einem hohlen dünnwandigen, ferromagnetischen Toroid 11. Das teilweise aufgebrochen
dargestellte Toroid in Fig. 1 besteht aus ferromagnetischem Material, beispielsweise
aus einer
Nickel-Eisen-Legierung. Beispielsweise kann der Außendurchmesser des Toroids
11 etwa 4 cm betragen, während der Außendurchmesser des kreisförmigen Querschnitts
des Rohres etwa 1/2 cm betragen kann. Andere geeignete Materialien für das Toroid
sind Legierungen aus Nickel-Eisen-Molybdän, Nickel-Eisen-Kupfer oder Nickel-Eisen-Vanadium.
Der Innenraum des Toroids 11 kann mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium gefüllt
sein, dessen Druck gemessen werden soll. In diesem Beispiel soll angenommen werden,
daß ein Luftdruck gemessen werden soll.
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Die Gaszufuhr zu dem Toroid erfolgt über eine Kapillarleitung 13,
die an das Toroid angeschlossen ist, so daß ein Gas, das durch die Leitung 13 tritt,
in Verbindung mit dem Innenraum des Toroids steht.
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Die Leitung 13 ist mit der Verbindungsstelle 15 an dem Toroid beispielsweise
angelötet oder angeschweißt und auf der Außenseite des Toroids entlang einem Bogen
16 von 1800 umgebogen. Der zu messende Druck wird über die Leitung 13 zugeführt
und stellt die Eingangsgröße für den Innenraum des Toroids dar. Wegen des Bogens
16 besitzt die Leitung 13 eine gewisse Flexibilität, so daß eine Bewegung der Leitung
in verschiedenen Richtungen erfolgen kann, ohne daß auf das Toroid selbst wesentliche
Spannungen ausgeübt werden. Eine Spannungsausübung auf das Toroid 11 außer durch
den Druck des Gases in dem Toroid muß vermieden werden, weil dadurch ein Meßfehler
bei der Druckanzeige hervorgerufen würde.
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Zum Zweck der Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels
soll angenommen werden, daß eine Spule 18 auf dem Toroid vorgesehen ist, die entweder
Sekundärwicklung eines Transformators oder eine induktive Spule ist, über die eine
Wechselspannung angelegt werden kann. Die Impedanz der Spule ist eine Funktion der
magnetischen Permeabilität u des ferromagnetischen Materials des Toroids 11, um
das die Spule 18 gewickelt ist. Da die Permeabilität des ferromagnetischen Materials
des Toroids eine Funktion der Spannung in dem Toroid ist, ist die Impedanz der Spule
eine Funktion des Drucks in dem Toroid. Es ist jedoch zu beachten, daß eine Spannung
in dem ferromagnetischen Material einen verschiedenen Einfluß auf die Permeabilität
des Materials ausübt, je nachdem, ob die Spannung in einer Richtung parallel zu
den magnetischen Flußlinien in dem Material oder senkrecht dazu verursacht wird.
Durch eine Druckausübung auf die Innenwandung des Toroids werden zwei grundsätzliche
Spannungen erzeugt. Die erste folgt der kreisförmigen Erstreckung des Toroids in
dem ferromagnetischen Material, verläuft also parallel zu dem magnetischen Fluß
in dem Toroid. Die zweite Spannung verläuft in Umfangsrichtung um den Querschnitt
des Toroids an irgendeiner Stelle. Eine derartige Spannung, die mitunter als Ringspannung
bezeichnet wird, verläuft senkrecht zu dem magnetischen Fluß und bewirkt eine Änderung
der Permeabilität des Toroids in einem entgegengesetzten Sinn zu derjenigen auf
Grund der parallelen Spannung. Deshalb erhöht die Spannung parallel zu dem magnetischen
Fluß die Permeabilität der meisten ferromagnetischen Materialien, während die Ringspannung
die Permeabilität erniedrigt. Damit irgendein in dem Toroid erzeugter Druck eine
resultierende Gesamtänderung der Permeabilität des Toroids und damit der Impedanz
der
Spule erzeugt, ist es deshalb wesentlich, daß die Spannung parallel zu den Feldlinien
eine Sinderung der Permeabilität um eine Größe erzeugt, die sich wesentlich von
derjenigen unterscheidet, die durch die Spannung senkrecht zu dem magnetischen Fluß
verursacht wird, da sich sonst keine resultierende Permeabilitätsänderung ergeben
würde. Die Ringspannung in einem hohlen Toroid, dessen Wandstärke im Vergleich zu
dem Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts gering ist, beträgt etwa das Zweifache
der Spannung parallel zu dem magnetischen Flußweg in Fig. 1. Die geeignete Auswahl
des ferromagnetischen Materials für das Toroid ist jedoch ebenfalls von Wichtigkeit.
Bei einigen Materialien, insbesondere bei einer Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung
ist die Erniedrigung der Permeabilität auf Grund einer senkrecht verlaufenden Spannung
mindestens zweimal so groß wie die Erhöhung der Permeabilität auf Grund einer parallel
verlaufenden Spannung, weshalb ein Druckaufbau in dem Toroid zu einer geeigneten
resultierenden Erniedrigung der Permeabilität führt. Es ist deshalb bedeutsam, daß
das ferromagnetische Material hinsichtlich der Anderung der Permeabilität in Abhängigkeit
von dem Druck so stark wie möglich anisotrop ist.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Differentialdruckumwandlers,
bei dem das Meßtoroid 21 eines ersten Druckumwandlers als Kern eines ersten Transformators
22 dient, während das Bezugstoroid 23 eines zweiten Druckumwandlers als ferromagnetischer
Kern eines zweiten Transformators 24 dient, der in jeder Hinsicht wie der Transformator
22 ausgebildet ist. Das Bezugs- und das Meßtoroid sind hinsichtlich der Form, der
Abmessungen und des Materials so gleich wie irgend möglich ausgebildet.
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Die Eintrittsöffnung 26 zu dem Bezugstoroid 23 ist jedoch zur Atmosphäre
geöffnet, während die Eintrittsöffnung 27 des Meßtoroids 21 mit dem Raum verbunden
ist, dessen Druck gemessen werden soll.
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Die Primär- und die Sekundärwicklungen der beiden Transformatoren
besitzen dasselbe Wicklungsverhältnis und sind in jedem Fall so angeordnet, daß
die Primärwicklung konzentrisch um die Sekundärwicklung (was allerdings in F i g.
2 nicht dargestellt ist) verläuft. Diese Überlagerung der Sekundärwicklung durch
die Primärwicklung gewährleistet minimale Flußverluste zwischen der Primär- und
der Sekundärwicklung. Die Sekundärwicklungen 28 und 29 sind in Reihe mit einem Potentiometer
31 geschaltet, damit ein Mittelpunkt vorliegt, um dem Potential der gemeinsamen
Verbindung zwischen den Sekundärwicklungen 28 und 29 zu entsprechen. Das Potentiometer
31 ergibt eine Nulleinstellung, so daß ein Nullzustand zwischen den Ausgängen der
beiden Sekundärwicklungen aufrechterhalten werden kann, selbst wenn das Bezugs-
und das Meßtoroid strukturell nicht genau identisch sind. Eine Wechselspannungsquelle
33 wird über einen Transformator 36 angeschlossen, um den Primärwicklungen 34 und
35 eine konstante Spannung zuzuführen. Die Ausgangsgrößen der Sekundärwicklungen
28 und 29 werden über den Transformator 38 einer Demodulatorschaltung zugeführt,
die vier Dioden aufweist, die in bekannter Weise entsprechend der Darstellung geschaltet
sind. Die Wechselspannungsquelle 33 wird über einen geeigneten Transformator ebenfalls
an den Demodulator 40 an den Stellen 43 und 44 angeschlossen. Die Ausgangsgröße
des Demodulators 40 wird
einem Mikroamperemeter 46 für Gleichspannung zugeführt.
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Die Demodulatorschaltung beseitigt außer Phase befindliche Komponenten
und harmonische Schwingungen. Ein über die Primärwicklung 34 oder 35 geschalteter
Kondensator 47 dient zur Korrektur irgendwelcher Phasenunterschiede.
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Um eine Meßfehleranzeige durch das Meßgerät 46 zu verhindern, muß
die Erregungsspannung der Wechselspannungsquelle 33 konstant gehalten werden, da
die Anzeige des Mikroamperemeters proportional der Erregungsspannung ist, wie im
folgenden näher erläutert werden soll. Es kann gezeigt werden, daß E21Et z (it-A)Iit
= 1f (p)lz (1) ist, wobei E1 die Sekundärspannung des Bezugstransformators 24, Eo
die Sekundärspannung des Meßtransformators 22, u die Permeabilität beider Kerne
bei Atmosphärendruck, also ohne Spannungen ist, während A , gleich der Änderung
der Permeabilität auf Grund eines Druckaufbaus ist. Der Ausdruck J (p) bedeutet
eine Funktion des Drucks und ist gleich X ,u. Aus Gleichung (1) ergibt sich EjE2
= E. f (p) 1y (2) Daraus ist ersichtlich, daß sich bei Änderung der Ausgangsspannung
Ei des Bezugstransformators 24 die Ausgangsgröße des Druckumwandlers ändert, selbst
wenn der tatsächliche Druckunterschied zwischen den beiden Toroiden und die Permeabilität
der Kerne konstant bleibt. Um eine mit Meßfehlern behaftete Ausgangsgröße zu vermeiden,
ist es deshalb nötig, die Erregungsspannung am Eingang konstant zu halten, indem
z. B. ein veränderlicher Transformator oder zwei in Reihe geschaltete, entgegengesetzt
gepolte Zenerdioden parallel zu der Wechselspannungsquelle geschaltet werden.
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Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Differenzdruckumwandlers.
Bei dieser Schaltung sind die Sekundärwicklungen weggelassen, und die Erregerspannung
wird über Induktionsspulen 51 und 52, das zur Nulleinstellung dienende Potentiometer
54 und die Primärwicklung des Transformators 56 mit Mittelabgriff zugeführt. Die
entgegengesetzt gepolten und in Reihe geschalteten Zenerdioden 58 und 59 sind über
die Wechselspannungsquelle 61 geschaltet. Die Ausgangsgrößen der Spulen 51 und 52
des Meß- bzw. Bezugstoroids werden über Transformatoren 56 und 62 der Demodulatorschaltung
64 zugeführt, während die Erregerspannungskomponente dem Demodulator 64 über einen
Transformator 65 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Demodulators wird über Leitungen
67 und 68 dem Mikroamperemeter 69 für Gleichspannung zugeführt. Ein Rheostat 71
ist in Reihe mit dem Mikroamperemeter geschaltet, um eine Meßbereichseinstellung
des Mikroamperemeters zu ermöglichen.
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Bei einer Benutzung der in F i g. 3 skizzierten Einrichtung wird
das zur Null einstellung dienende Potentiometer 54 so eingestellt, daß sich das
Amperemeter 69 für den Zustand, bei dem kein Druck oberhalb des Atmosphärendrucks
in dem Meßtoroid 48 aufgebaut wird, in der Nulleinstellung befindet. Ein Druckaufbau
in dem Toroid 48 über dessen Eintrittsleitung führt deshalb zu einem Ausgangssignal
von dem in der Mitte angezapften Transformator 56, der
als Differenziereinrichtung
dient, an die Wicklungen 51 und 52 des Meß- und des Bezugstoroids angeschlossen
sind. Abweichungen von dem Abgleich der Ausgangsgrößen der Spulen ergeben deshalb
eine Eingangsgröße für den Demodulator 65 über den Transformator 62 und folglich
eine Abweichung von der Nullage des Amperemeters 69.
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Das in Fig.3 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel besitzt
eine Charakteristik der Abhängigkeit des Druckunterschieds von der elektrischen
Ausgangsgröße, die praktisch linear verläuft. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel
gemäß F i g. 3, bei dem ein Erregersignal von 4,2 Volt und 400 Hz zugeführt und
ein Widerstand für die Nulleinstellung mit 100 Ohm verwandt wurde, wurde die in
F i g. 4 dargestellte Charakteristik erhalten, wobei die Wicklungen 1500 Windungen
auf jedem der Toroide 48 und 49 besaßen und der Rheostat zur Meßbereichseinstellung
einen maximalen Meßbereich auf dem Mikroamperemeter 69 von 15 Mikroampere ergab.
Die Kurve 74 in F i g. 4 zeigt, daß sich eine praktisch lineare Kurve von 0 bis
15 Mikroampere entsprechend einem Druckunterschied von 0 bis 375 cm Hg über dem
Atmosphärendruck ergab. Die Kurve 74 zeigt die tatsächlich erhaltene Charakteristik,
während die gestrichelte Linie 75 eine zu Vergleichszwecken dienende Gerade ist.
Es ist ersichtlich, daß die maximale Abweichung der Charakteristik 74 von dem linearen
Verlauf etwa 4°lo bei einem Meßwert von 8,5 Mikroampere beträgt.
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Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß bei einem Betrieb eines
der Ausführungsbeispiele eine Änderung der Umgebungstemperatur ebenfalls zu unerwünschten
Signalen führen kann, da Änderungen der Umgebungstemperatur die Permeabilität des
ferromagnetischen Materials ändern können. Verschiedene Einrichtungen können für
eine Kompensation einer derartigen Temperaturänderung Verwendung finden.
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Eine Abweichung der Ausgangsgröße von der Nulllage kann z. B. durch
einen in Reihe mit einer der Ausgangswicklungen eines Toroids geschalteten temperaturempfindlichen
Widerstand kompensiert werden. Eine Änderung des Anstiegs des Ausgangssignals kann
z. B. durch einen temperaturempfindlichen Widerstand in Reihe mit dem Gleichspannungsausgang
der elektrischen Schaltung kompensiert werden.