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Vorrichtung zum Messen des Drucks von Flüssigkeiten oder Gasen Die
Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Messen des Drucks von Flüssigkeiten
oder Gasen, bei denen ein Wandelement, das sich unter dem zu messenden Druck verformt,
und ein elektrischerMefteil vorgesehen sind, der auf einer Fläche des Wandelemente
vorgesehen ist, so daß er von den Verformungen des Wandelements beeinflußt wird.
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Bei den bekannten Vorrichtungen ist das verformbare Wandelement in
Form einer Membran oder einer Muffe vorgesehen. Im Fall einer Membran ergeben sich
am Umfang bzw. am Rahmen derselben ziemlich hohe mechanische Beanspruchungen, die
sich auf die Genauigkeit der Meßvorrichtungen ungünstig auswirken. Andererseits
hat eine solche Membran eine ziemlich niedrige Eigenfrequenz derart, daß die Meßvorrichtung
zu falschem >Snzeigen neigt, wenn sich der zu messende Druck selbst periodisch
ändert. Bei Vorrichtungen mit Wandelement in Form einer Muffe liegt ebenfalls eine
wenig hohe Eigenfrequenz vor Außerdem sind diese Vorrichtungen gegenüber mechanischen
Beanspruchungen ausserordentlich empfindlich, was auch für Schwingungen
gilt,
die auf die muffe übertragen werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, diese Nachteile zu vermeiden
und eine Vorrichtung zum Messen des Drucks mit verformbarem Wandelement zu schaffen,
die eine große mechanische Steifheit aufweist, also eine sehr hohe Eigenfrequenz
hat, die im allgemeinen wesentlich höher ist als die der zu messenden variablen
Drücke. Diese Steifheit des Wandelements ermöglicht die Anordnung von Meß- und Ausgleichsteilen
in der Weise, daß schädliche Einwirkungen von mechanischen Beanspruchungen ausser
denen, die durch den Flüssigkeitsdruck bewirkt werden, ausgeschaltet sind.
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Zur Lösung dieser aufgabe ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß das Wandelement eine Zone verminderter Wandstärke enthält,
die nach einer bestimmten Achse ausgerichtet ist, und senkrecht zu dieser Achse
einen derartigen verschnitt hat, daß die Wandstärke progressiv bis zu einem Minimum
im wesentlichen der Mitte der Zone abnimmt, wobei der eßteil oberhalb dieser Zone
senkrecht zu der erwähnten Achse angeordnet ist.
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Der Meßteil hat vorzugsweise eine solche Länge, daß seine Enden im
wesentlichen entfernt von der Zone verminderter Wandstärke des Wandelements liegen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zone verminderter
Wandstärke durch eine Rille von im wesentlichen kreisbogenförmigem Querschnitt gebildet,
die auf der Seite des Wandelements vorgesehen ist, die der den Meßteil tragenden
Seite des Wandelements gegenüberliegt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform, wobei das Wandelement, das den
Meßteil trägt, in sich geschlossen als Muffe mit zylindrischer Innenwand Aussenwand
ausgebildet ist, sind Innenwand Aussenwand gegeneinander versetzt, so daß
eine
längsgerichtete Zone von verminderter Wandstärke verwirklicht ist.
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Bei einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei das
Wandelement, das den Meßteil trägt, ebenfalls in sich geschlossen als Muffe mit
zylindrischer Aussenwand ausgebildet ist, ist die hussenkontur jedoch rechteckig,
wobei Innenwand Aussenwand gegenseitig zentriert sind,-so daß auf den großen rechteckigen
Aussenseiten der Muffe zwei längsgerichtete Zonen verminderter Wandstärke verwirklicht
sind, die einander gegenüberliegen.
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Bei beiden vorerwähnten Ausführungsformen kann durch die Luffe in
bekannter Weise ein Innenrohr mit radialen Kanälen zur Zufuhrung der Flüssigkeit
zur Muffe hindurchgehen. Gemäß der Erfindung ist die Muffe hierbei mit Spiel auf
dem Innenrohr angeordnet, das in die Speiseleitung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit
eingeschaltet ist0 Die Abdichtung zwischen der muffe und dem Rohr wird durch Dichtungsringe
bewirkt, so daß auftretende Verformungen des Rohrs nicht auf die Muffe übertragen
werden.
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Wenn dem Me'ßteil ein @usgleichsteil zugeordnet wird, kann der Ausgleichsteil
auf demselben Wandelement wie der Meßteil vorgesehen werden, jedoch in genügender
Entfernung von der Zone verminderter Wandstärke des Wandelements, damit der Ausgleichsteil
von den durch den Flussigkeitsdruck bewirkten Verformungen nicht beeinflußt wird.
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Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung. Es
zeigen: Fig. 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines ebenen Wandelements
mit dem elektrischen Schaltschema;
Fig. 2 einen axialen Schnitt
durch eine Vorrichtung mit einem Wandelement nach Fig. 1, das den Boden einer Büchse
bildet, die am Behälter angebracht ist, der die Flüssigkeit bzw. das Gas enthält,
dessen Druck zu messen ist; Fig0 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig.
2 Fig. 4 und 5 Schnitte ähnlich Fig. 2 und 3 durch eine andere Ausführungsform der
Erfindung; Fig. 6 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform; Fig. 7 einen axialen
Schnitt durch eine Ausführungsform mit Büchse, wobei zwei Wandelemente mit Kühlung
vorgesehen sind; Fig. 8 einen Teilschnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7; Fig.
9 einen Teilschnitt durch eine Variante zu Fig. 7 ; Fig. 10 einen Schnitt nach der
Linie X-X in Fig. 9 ; Fig.11 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer Ausführungsform
mit Wandelement in Form einer Muffe mit zylindrischer Aussenwand; Fig. 12 einen
Schnitt nach der Linie XII-XII in Fig. 11;
FigW 13 eine perspektivische
Ansicht einer Muffe mit rechteckigem Aussenprofil, wobei ein Teil der Muffe ausgeschnitten
dargestellt ist; Fig. 14 eine Variante zu Fig. 13; Fig. 15 eine perspektivische
Ansicht einer Vorrichtung ähnlich Fig. 13, Jedoch mit Innenrohr, wobei ein Teil
geschnitten dargestellt ist.
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Aus Fig. 1 ist ein Wandelement 1 ersichtlich, das unter dem Druck
einer Flüssigkeit oder eines Gases steht. Es sei angenommen, daß dieses Wandelement
1 einen Teil der oberen Wand eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters bildet, wobei
der Flüssigkeitsdruck in Richtung des Pfeils 2 auf das Wandelement einwirkt. Das
Wandelement 1 weist auf seiner Innenfläche eine geradlinig verlaufende Rille 1a
von im wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt auf. Diese Rille 1a ergibt in
Richtung senkrecht zur Längsachse der Rille eine Zone, in der die Wandstärke progressiv
bis auf ein Minimum absinkt und dann ebenfalls progressiv bis auf den ursprünglichen
Wert wieder ansteigt. Auf der Aussenfläche des Wandelements 1 ist ein Impulsgeber
bzw. ein Meßteil 3 senkrecht zur Längsachse der Rille 1a befestigt, dessen Länge
so gewählt ist, daß seine Enden im wesentlichen entfernt von der Zone verminderter
Wandstärke zu liegen kommen. Ferner ist auf der oberen Fläche des Wandelements 1
noch ein Ausgleichsteil 4 angebracht, der ausserhalb der Zone verminderter Wandstärke
liegt.
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Die beiden Teile 3 und sind in Brückenschaltung zusammen mit zwei
Widerständen 5 und 6 angeordnet. Die Speisung des Brückenstromkreises erfolgt durch
eine beliebige Stromquelle 7. In der anderen Diagonalen befindet sich ein Galvanometer
8,
das zur Erhöhung der Empfindlichkeit vorzugsweise mit einem Verstärker verbunden
ist.
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Wenn der Flüssigkeitsdruck auf das Wandelement 1 in Richtung des
Pfeils 2 einwirkt, verformt sich die durch die Rille 1a bestimmte Zone verminderter
Wandstärke elastisch, wodurch der Widerstand des Meßteils 3 gegenüber dem Ausgleichsteil
4 verändert wird. Die Anzeigen des Galvanometers 8 oder die Änderungen, die an den
Widerständen 5 und 6 einzustellen sind, um den Ausgleich in der Brückenschaltung
wieder herzustellen, ermöglichen eine Bestimmung des Flüssigkeitsdrucks, vorausgesetzt,
daß vorher ein Eichen stattgefunden hat.
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Zu bemerken ist, daß die Verformungen der Zone verminderter Wandstärke
des Wandelements 1 nur den IViittelabschnitt des Meßteils 3 beeinflussen, dessen
Enden nicht beeinträchtigt oder unerwünscht verschoben werden können. Der Ausgleichsteil
4 ist gegenüber den erwähnten Verformungen praktisch unempfindlich und dient nur
zum Ausgleich von Temperaturveränderungen.
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Das Wandelement 1 ist sehr steif bzw. starr. Infolge seiner hohen
Eigenschwingungszahl kann es sich schnell ändernden Drücken, wie sie z.B. im Innern
der Zylinder von Brennkraftmaschinen herrschen, genau folgen.
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In der Praxis wird das endelement 1 vorzugsweise auf einen die unter
Druck stehende Flüssigkeit enthaltenden Behälter aufgebracht. In Big-. 2 bildet
das Wandelement 1 den Boden einer zylindrischen Büchse 9, die in die normale Wand
1o des Behälters eingeschraubt ist, wobei die Abdichtung durcheinen Dichtungsring
11 erfolgt, der sich gegen einen Ringflansch 12 der Büchse 9 legtO Wie aus Fig.
3 hervorgeht, sind zwei Meßteile 3a bzw. 3b und zwei Ausgleichsteile 4a bzw0 4b
vorgesehen. Jeder Zweig der Brückenschaltung enthält einen
Meßteil
und einen Ausgleichsteil, wobei die Anordnung in einem Zweig gegenüber dem anderen
umgekehrt ist. Die ganze Anordnung der iJ,eß- und Ausgleichsteile kann in Form eines
metallischen Films auf einer Scheibe -13 aus Isolierstoff vorgesehen werden, die
am Boden der Büchse 9 festgeklett' wird, wobei Flächen 14 als Anschlußklemmen zum
Verbinden der Anordnung mit den äusseren Abschnitten der Stromkreise dienen.
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Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Wandelements
mit zwei parallelen Rillen 1a und Ib, die Je auf einer und der anderen Seite des
Wandelements liegen. Es ist angenommen, daß dieses Wandelement den Boden einer Büchse
9 nach Fig. 2 und 3 bildet. Die Meßteile 3a und 3b sind auf der Aussenfläche des
die Druckflüssigkeit enthaltenden Behälters oberhalb der Rille 1a vorgesehen, die
zum innern des Behälters 2 hin offen liegt, und senkrecht zur Längsachse dieser
Rille. Die husgleichsteile 4a und 4b liegen in gebogener Form auf dem Boden der
Rille 1bX die nach aussen hin offen liegt. Die vier Meß- und Ausgleichsteile sind
zwischen der Stromquelle 7 und dem Galvanometer 8 wie in Fig. 2 und 3 in Brückenschaltung
vorgesehen.
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In diesem Fall wird bei einer Verformung des Wandelements 1 durch
den Flüssigkeitsdruck eine Zugspannung auf die Meßteile 3a und 3b und eine Druckspannung
auf die ausgleichsteile 4a und 4b ausübt. Die unter Druck stehenden Ausgleichsteile
spielen hier auch die Rolle von Hilfs-MeXteilen, die entgegengesetzt zu den Hauptmeßteilen
arbeiten, wodurch die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung etwas erhöht wird0 Fig.
6 zeigt eine Variante, wobei vier Meßteile in Form von Halbleitern vorgesehen sind,
Jedoch sind zwei Meßteile 3a und 3b vom Typ P, d. h. ihr Widerstand steigt bei mechanischer
Zugbeanspruchung, während die beiden anderen Meßteile 3c und 3d vom Typ N sind,
d. h. ihr Widerstand vermindert sich als
Funktion der Zugbeanspruchung,
der sie ausgesetzt werden Die vier eßteile sind in Brückenschaltung zwischen der
Stromquelle 7 und dem Galvanometer 8 angeordnet. Wie im Fall der Ausführungsform
nach Fig. 4 und 5 ergeben die Verformungen des Wandelements eine entgegengesetzte
Wirkung bei den Meßteilen, wodurch die Druckmessung ermöglicht wird.
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Es kommt vor, daß die Flüssigkeit, deren Druck zu messen ist, eine
solche Temperatur hat, daß die Meß- bzw. Ausgleichsteile beschädigt werden können.
Fig. 7 und 8 veranschaulichen eine Ausführungsform, bei der dieser Nachteil durch
eine Kühlung des die Meß-bzw. Ausgleichsteile tragenden Wandelements vermieden wird.
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Diese Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 enthält eine Büchse 9 ähnlich
der in Fig. 2 und 3 dargestellten Büchse.
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Die untere Fläche des Wandelements 1, das den Boden der Büchse 9 bildet,
enthält eine kreisförmige ausnehmung 15 und in der Wand bzw. im Boden der Büchse
9 ist ein rechtwinklig verlaufender Kanal 16 vorgesehen, durch den eine Kühiflüssigkeit
in die Ausnehmung 15 eingeleitet werden kann, während ein zweiter entsprechender
Kanal 17 zum Abführen der Kiihlflüssigkeit dient. Die Ausnehmung 15 ist von einer
Scheibe 18-iiberdeckt, die abdichtend angeschweißt oder angelötet ist. Die untere
Fläche der Scheibe 18 weist eine Rille 18a auf, die unterhalb der Rille 1a des den
Boden der Büchse 9 bildenden Wandelements 1 liegt. Zwischen den beiden Rillen ist
ein Keil 19 zur Kraftübertragung vorgesehen.
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Der Flüssigkeitsdruck ergibt infolge der Rille 18 eine-Verformung
der unteren Scheibe 18. Diese Verformung wird durch déE Keil 19 auf das den Boden
der Büchse 9 bildende Wandelement 1 übertragen, so daß auf die Meßteil eingewirkt
wird. Durch die Kanäle 16 und 17 kann Kühlflüssigkeit geleitet werden, wodurch
ein
Aufheizen der Meßteil durch eine heiße Flüssigkeit, deren Druck zu messen ist, verhindert
wird.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 und 1o fehlt die untere scheibe
18. Hier ist stattdessen das den Boden der Büchse 9 bildende Wandelement 1 wesentlich
stärker ausgeführt.
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Das Wandelement 1 enthält eine Bohrung 20, die es wenigstens teilweise
in zwei übereinanderliegende Bereiche unterteilt.
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Die bei Fig. 7 bereits beschriebenen Kanäle 16 und 17 münden in diese
Bohrung 20 Ferner ist in die Bohrung 20 ein Keil 19 eingepreßt der in geeigneter
Weise profiliert- ist. Die Bohrung 20 ist durch einen Zapfen 21 verschlossen. Wenn
hier der Flüssigkeitsdruck eine Verformung der one verminderter Wandstärke im uiiteren
Bereich des den Büchsenboden bildenden Wandteils 1 erzeugt, überträgt der Keil 19
die Verformung auf die obere Zone verminderter Wandstärke, so daß auf die Meßteile
eingewirkt wird, die von der Isolierscheibe 13 getragen werden.
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Der Durchlauf der Kühlflüssigkeit durch die Kanäle 16 und 17 bzw.
die Bohrung 20 verhindert ein aufheizen der Meßteil.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde angenommen,
daß das Wandelement im wesentlichen eben ist.
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Es ist jedoch-auch möglich, dieses Wandelement in sich geschlossen
in Form eines Rohrstücks bzw. einer Muffe auszubilden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 hat die Muffe 21 eine
zylindrische Innenwand Aussenwand,- die beiden Wände sind Jedoch gegeneinander versetzt.
Anders ausgedruckt kann die Muffe 21 so angesehen werden, daß sie aus einem runden
Stangenteil hergestellt ist, wobei die Achse der Längsbohrung beträchtlich gegenüber
der Stangenachse versetzt ist (beim dargestellten Beispiel liegt die Bohrungsachse
oberhalb der Stangenachse). Infolge dieser Exzentrizität ist die Wandstärke
der
Muffe nicht gleichmäßig. Es ist eine Zone von fortschreitend verminderter Wandstärke
oberhalb der Bohrung 22 vorhanden, vgl. insbesondere Fig. 12. Über dieser one ist
der Meßteil 3 angebracht, der quer zur Längsachse der Muffe ausgerichtet ist, sich
also über einen Kreisbogen erstreckt. Der Ausgleichsteil 4 ist diametral gegenüberliegend
vorgesehen. Er befindet sich vorzugsweise in derselben mittleren querebene wie der
Meßteil 3. uch hier wirken de durch den Flüssigkeitsdruck entstehenden Verformungen
hauptsächlich in der Zone verminderter Wandstärke, die von dem Meßteil 3 überdeckt
ist, ohne daß der Susgleichsteil 4 merklich beeinflußt wird. Wie im Fall der Ausführungsform
nach Fig. 1 liegen die Enden des Meßteils vorzugsweise ausserhalb der Zone verminderter
Wandstärke.
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Die Enden der Muffe 21 weisen mit ihr aus einem stück bestehende
Gewindestopfen 23 auf, mit denen die Anordnung in eine Flüssigkeitsspeiseleitung
eingeschaltet werden kann.
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Die elektrische Schaltung kann gleich der nach Fig. 1 gewählt werden.
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Selbstverständlich kann die Innen- bzw. Aussenwand der Muffe nach
Fig. 11 und 12 eine Gestalt haben, die sich mehr oder weniger von einem kreisfrmigen
.uerschnitt entfernt, beispielsweise kann ein elliptischer uerschnitt gewählt erden.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 ist das @andelement 24 an sich
ebenfalls in sich geschlossen in Form einer lluffe ausgefiihrt. Die Innenwand, d.h.
die Wand der Bohrung 22 ist zylindrisch wie in Fig. 11 und '12, aber die Aussenkontur
bzw. der ganze Querschnitt der Muffe entspricht einen länglichen Rechteck. Waagerecht
gesehen sind Innen- und Aussenwand gegenseitig zentriert. Bei dieser Anordnung ergeben
sich z@el@gegenüberliegende
Zonen von verminderter Wandstärke,
nämlich eine obere und eine untere Zone. Auf beiden Zonen wird ein Meßteil 3a bzw.
3b angebracht, während die beiden AusgleIchsteile 4a, 4b auf den schmalen Seiten
des Wandelements 24 vorgesehen sind, d.h. in den Zonen größter Wandstärke. Die Achsen
der Meß- und Äusgleichsteile liegen vorzugsweise in derselben Querebene.
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Wenn eine Flüssigkeit unter Druck durch die Bohrung 22 fließt, lokalisieren
sich die Verformungen des Wandelements infolge des Flüssigkeitsdrucks an den Meßteilen
3a und 3b, ohne daß die Ausgleichsteile 4a und 4b hiervon praktisch beeinflußt werden.
Wie im Fall der Fig. 3 kann jeder Meßteil in Reihe mit einem Ausgleichsteii in einem
Zweig einer Wheatstoneschen Brücke liegen, wobei die Anordnung der Teile in einem
Zweig gegenüber dem anderen umgekehrt ist.
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Um die Steifheit der Anordnung zu verbessern, ist es in entsprechenden
Fallen vorteilhaft, an den Enden der muffe querrippen 25 vorzusehen, die auf beiden
Seiten des Muffenabschnitts liegen, der die Meßteile aufnimmt. Es können auderdem
Rohrtutzen 26 vorgesehen werden, um die Einrichtung in eine Leitung od.dgl. einschalten
zu können.
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Die Ausführungsform nach Fig. 14 unterscheidet sich von der vorhergehenden
Ausführungsform nur dadurch, daß sie noch mit seitlichen Längsrippen 27 versehen
ist, die die Querrippen 25 verbinden. Ea ergibt sich hiermit ein H-4uerschnitt,
der eine grobe Steifheit aufweist.
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Fig. 15 veranschaulicht eine Ausführungsform, wobei eine anordnung
nach Fig. 13 auf ein Innenrohr 28 gesetzt ist, daß von der Flüssigkeit durchstromt
wird, deren Druck gemessen werden soll. Die Bohrung 22 der Muffe hat eineh etwas
größeren Durchmesser als der xussendurchmesser dieses Innenrohrs 28, so
daß
eine Übertragung von Kräften zwischen Rohr und Muffe vermieden wird. Die Abdichtung
wird durch Dichtungsringe 29 von. kreisförmigem Querschnitt bewirkt. Um andererseits
den Zugang der Flüssigkeit zu den Zonen verminderter Wandstärke zu gewährleisten,
weist das Innenrohr 28 Kanäle 30 auf, die in eine Ringnut 31 des Rohrs münden. Diese
Ringnut verläuft im Bereich der Zonen verminderter Wandstärke. Infolge dieser Anordnung
wird die Einrichtung gegen jede mechanische Beanspruchung geschützt, die eine schädliche
Wirkung auf die Meßteile haben könnte.