DE1573631B2 - Membrananordnung fuer druckmesswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membrananordnung für Druckmeßwandler, die ein rohrförmiges Gehäuse und im Inneren des Gehäuses einen Druckstempel aufweisen, der von dem Gehäuse durch einen Ringraum getrennt ist, der von einer außen mit dem Wandlergehäuse verschweißten und im Bereich ihrer Mitte auf dem Druckstempel aufliegenden Membran überbrückt wird, die im Bereich des Ringraumes eine dünnwandige ringförmige Wölbung aufweist.

Beim Bau von elektrischen Druckmeßwandlern kommt der Gestaltung der Membran eine ausschlaggebende Bedeutung zu, weil sie mehrere Aufgaben zu erfüllen hat. Sie soll erstens das Innere des Wandlers gegen das Meßmedium abdichten und dabei den Deformationen des Wandlergehäuses gegenüber dem zentralen Druckstempel des Druckmeßwandlers folgen und zugleich drittens den von außen wirkenden Flächendruck in jedem Druckbereich proportional auf den zentralen Druckstempel übertragen. Viertens soll sie möglichst unempfindlich gegen harte dynamische Druckstöße sein und sich fünftens bei Temperaturstößen möglichst wenig werfen. Es ist ersichtlich, daß diese verschiedenen Aufgaben nicht leicht gleichzeitig zu lösen sind. Bei den bisher bekannten Druckmeßwandlern ist die den Ringraum des Druckmeßwandlers überbrückende ringförmige Wölbung der Membran nach innen gerichtet, so daß sie in diesen Ringraum eingreift. Der Querschnitt der Wölbung entspricht etwa einer Kettenlinie. Eine solche Ausbildung der Membran erfüllt zwar die meisten der oben angegebenen Forderungen, jedoch ist sie für eine Dauerbeanspruchung bei harten dynamischen Stoßen wenig geeignet, da sich an den Einsenkstellen sehr gefährliche Zug- und Biegebeanspruchungen ergeben, die zu einer schnellen Beschädigung oder gar Zerstörung der Membran führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membrananordnung für Druckmeßwandler zu schaffen, die alle die obengenannten Forderungen erfüllt und insbesondere auch Dauerbeanspruchungen bei harten dynamischen Stoßen standhält.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wölbung nach Art eines Stützbogens entgegen dem Mediumdruck nach außen gerichtet ist. Durch diese Maßnahme wird die Membran im Bereich der Wölbung keinen Zugspannungen, sondern Druckspannungen ausgesetzt, die bekanntlich ein wesentlich günstigeres Dauerverhalten ergeben.

Bei der erfindungsgemäßen Membrananordnung kann die Membran entweder insgesamt sehr dünnwandig ausgebildet sein oder aber es kann die Wandstärke der Membran an den Stellen, an denen sie auf dem Gehäuse und dem Druckstempel aufliegt, wesentlich größer sein als im Bereich der stützbogenartigen Auswölbungeh.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele

näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das membranseitige Ende eines bekannten Druckmeßwandlers und ' .. . .

Fig. 2 und 3 Querschnitte durch das membranseitige Ende je eines Druckmeßwandlers mit einer Membrananordnung nach der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein handelsüblicher Druckmeßwandler im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 1 und einem zentralen Druckstempel 2, in den piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Meßmittel eingebaut sein können. Zwischen dem Gehäuse und dem Druckstempel 2 befindet sich ein Ringraum 3, der von einer Membran 4 überbrückt wird. Die Membran 4 ist an ihrem Rand mit dem Gehäuse 1 durch eine Schweißnaht 5 verbunden. Die Membran 4 überbrückt den Ringraum 3 mit einer .ringförmigen Wölbung 6, die sich nach innen in den Ringraum 3 hinein erstreckt und im Querschnitt eine halbkreis- oder kettenlinienähnliche Gestalt hat. Bei starken Druckstößen ergeben sich an den Rändern 7 und 8 der Wölbung 6, an denen die Membran am Rand des Gehäuses 1 bzw. des Druckstempels 2 aufliegt, gefährliche Zug- und Biegespannungen, die bei Dauerbeanspruchung oft zu einem Membranbruch führen. Das Druckmedium wirkt mit einem Flächendruck ρ auf die Membran und bewirkt eine Relativbewegung um die Strecke S zwischen dem Gehäuse 1 und dem Druckstempel 2. Diese Bewegung muß durch die Elastizität der Wölbung 6 aufgenommen werden, ohne daß sich dabei die Auflagestellen an den Rändern 7 und 8 der Wulst wesentlich verschieben, wenn der Druckmeßwandler eine gute Linearität aufweisen soll.

Auch der in Fi g. 2 dargestellte Druckmeßwandler besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 21 und einem zentralen Druckstempel 22, in. den .wiederum piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Meßmittel eingebaut sein können. Der Ringraum 23 zwischen Gehäuse 21 und Druckstempel 22 ist wieder durch eine Membran 24 überbrückt, die längs ihres Umfanges durch eine Schweißnaht 25 mit dem Gehäuse 21 verbunden ist und im Bereich ihrer Mitte auf dem Druckstempel 22 aufliegt. Endlich weist auch die Membran 24 wieder im Bereich des Ringraumes 23 eine Wölbung 26 auf, die jedoch im Gegensatz zu der Wölbung der Membran 4 bei dem Druckmeßwandler nach Fig. 1 nicht nach innen, sondern nach der Erfindung nach Art eines Stützbogens entgegen dem Mediumdruck nach außen gerichtet ist. Die Wölbung 26 hat wieder einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt. In die-

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sem Fall bewirkt der Mediumdruck ρ an allen Stellen preßt und hierauf in einer SpezialVorrichtung durch

der Wölbung 26, die sich längs ihrer Ränder 27 und hydraulischen Druck von außen in die ideale Form

28 an dem Gehäuse 21 bzw. dem Druckstempel 22 gebracht, bei der der Querschnitt der Wölbung

abstützt, Druckspannungen. Die an den Rändern 26 einem Halbkreis ähnlich ist. Der dazu aufgewendete

und 27 der Wölbung 26 auftretenden Stützkräfte P 5 Druck ist höher als der höchste Druck, der je auf

können in zwei Komponenten A und B aufgeteilt den fertigen Druckmeßwandler einwirken wird, so

werden, von denen die eine senkrecht zur Stirnfläche daß sich die stützbogenartige Wölbung 26, die bereits

des Druckstempels bzw. des Gehäuses und die an- die physikalisch ideale Form aufweist, im -Betrieb

dere in Richtung der jeweiligen Stirnfläche weist. nicht mehr verändert.

Es ist von Vorteil, wenn der Winkel α zwischen io Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Stützkraft P und der sich parallel zur Stirn- der Erfindung besteht die Membran 34 aus einem fläche des Druckstempels 22 erstreckenden Kompo- wesentlich dickeren Material als die Membran 24 nente B der Stützkraft zwischen 45 und 60° be- der Ausführungsform nach Fig. 2. Im Bereich.der trägt, damit die Schubkomponente B der eine Auf- den Ringraum 33 zwischen dem Gehäuse 31 und lagekraft darstellenden Komponente A etwa gleich 15 dem Druckstempel 32 überspannenden Wölbung 36 ist. Am äußeren Rand 27 der Wölbung 26 wird der ist die Stärke der Membran durch Walzen oder Pres-Abstützwinkel β einen ähnlichen, von dem Verhältnis sen wesentlich reduziert, so daß die Wölbung wieder des Radius r der Wölbung 26 zum Radius R des von die notwendige Flexibilität aufweist. Bei dieser Ausder Wölbung 26 gebildeten Ringes abhängigen Wert bildung der Membran sind die Stellen, mit denen haben. Die Stellen, an denen die Wölbung 26 mit 20 sich die Membran an den Rändern 37 und 38 der ihren Rändern 27 und 28 aufliegt, verändern ihre Wölbung 36 auf dem Gehäuse 31 bzw. dem Stempel Lage bei einer Relativbewegung um die Strecke 5 32 abstützt, schärfer definiert, und es ergibt sich zwischen dem Gehäuse 21 und dem Druckstempel 22 eine günstigere Spannungsverteilung. Außerdem nicht. Zudem liegt die Dauerfestigkeit von normalen kann die Membran nicht nur längs ihres Umfanges Membranmaterialien bei Druckbeanspruchung we- 25 durch eine Schweißnaht 35 mit dem Gehäuse 31 versentlich höher als bei Zugbeanspruchung. Wie ein- bunden werden, sondern auch durch eine Punktgehende Versuche gezeigt haben, hat infolgedessen oder Ringbuckelschweißung 39 mit dem Druckdie erfindungsgemäße Membrananordnung eine um stempel 32.

ein Mehrfaches erhöhte Lebensdauer. Es ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 hat die 30 Membrananordnung für Druckmeßwandler geschaf-Membran 24 eine gleichmäßige Dicke und ist so fen wird, bei der in der Membran lediglich Druckdünn wie möglich gehalten. Sie kann bei gleicher spannungen entstehen. Hierdurch wird die Lebens-Druckbeanspruchung wesentlich dünner sein als eine dauer bei harten dynamischen Stoßbelastungen auf übliche Membran, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. ein Mehrfaches gegenüber der Lebensdauer von be-Die Membran wird vorteilhaft im Gesenk vorge- 35 kannten Membrananordnungen erhöht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Membrananordnung für Druckmeßwandler, die ein rohrförmiges Gehäuse und im Inneren des Gehäuses einen Druckstempel aufweisen, der von dem Gehäuse durch einen Ringraum getrennt ist, der von einer außen mit dem Wandlergehäuse verschweißten und im Bereich ihrer Mitte auf dem Druckstempel aufliegenden Membran überbrückt wird, die im Bereich des Ringraumes eine dünnwandige . ringförmige Wölbung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung (26) nach Art eines Stützbogens entgegen dem Mediumdruck nach außen gerichtet ist.

2. Membrananordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Membran (34) an den Stellen, an denen sie auf dem Gehäuse (31) und dem Druckstempel (32) aufliegt, wesentlich größer ist als im Bereich der stützbogenartigen Auswölbungen (36).