DE1648690C3

DE1648690C3 - Meßumformer für Fluiddrucke

Info

Publication number: DE1648690C3
Application number: DE1648690A
Authority: DE
Inventors: Joram Farnborough Hampshire Agar (Grossbritannien)
Original assignee: Solartron Electronic Group Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd
Priority date: 1966-05-18
Filing date: 1967-05-17
Publication date: 1978-09-28
Also published as: DE1648690B2; US3529470A; ES341287A1; DE1648690A1; GB1181515A

Description

Die Erfindung betrifft Meßumformer für Fluiddrucke, mit einem Schwingelement, das in einer Kammer angeordnet ist, mit Einrichtungen zur Anregung von Resonanzschwingungen des Schwingelerients, mit Einrichtungen zur Zufuhr des zu messenden Fluiddruckes zu dem Schwingelement, um dessen Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von dem Fluiddruck zu andern, und mit einer auf die Resonanzschwingungen ansprechenden Einrichtung, die ein Ausgangssignal mit einer von der Schwingungsfrequenz des Schwingelemenis abhängigen Frequenz abgibt.

Es ist aus der DE-AS 11 66 506 ein derartiger Meßumformer für Fluiddrucke bekannt, bei dem das .Schwingelement aus einem I lohlzylinder bestellt, der einseitig eingespannt ist und dessen eine Oberfläche dem Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, unmittelbar ausgesetzt ist, da das zu messende Fluid in den Hohl/ylinder eingeleitet wird. Der I lolil/ylinder liihrt dabei Unilangssc'hwingiingen aus. Das Material, «ins dem der I luhl/ylinder hergestellt ist. ist durch die ücwüiischte I rei|iien/-Di'uck-C haiaklei isuk des I.in tonne: ■ bestimmt und besteht deshalb gewöhnlich aus

Legierungen, die den Nachteil besitzen, daß sie nicht korrosionsbeständig sind, so daß sie zur Messung des Druckes von korrosiven Fluiden nicht verwendbar sind. Der Hohlzylinder ist in einer nach außen abgedichteten Kammer angeordnet. Bei Verwendung des Meßumforniers als Differenzdruckmesser wird in diese Kammer das zweite zu messende Fluid eingeleitet, so daß auch die andere Oberfläche des Hohlzylinuers mit Meßfluid in Berührung kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer für Fluidzwecke zu schaffen, der zur Messung do> Druckes von korrosiven Fluiden einsetzbar ist und dabei die Messung relativ hoher Drucke gestattet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schwingelement in an sich bekannter Weise zwei Stirnteile enthält, die durch mehrere parallele Streben verbunden sind, die symmetrisch um eine gemeinsame, parallel zu den Streben verlaufende Achse angeordnet sind, und von denen jedes zu Transversalschwingungen bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz erregbar ist, daß die Kammer gegenüber dem Eintreten von Fluid abgedichtet ist, dessen Druck gemessen werden soll, daß die Stirnteile des Schwingelements über Kraftübertragungsglieder mit Scheiben der Kammer verbunden sind, r> von denen mindestens eine bewegbar ist, daß der zu messende Fluiddruck an der Außenseite mindestens einer der Scheiben angreift und daß Änderungen des zu messenden Fluiddruckes über diese Scheibe(n) die auf die Streben einwirkenden Kräfte und damit die gemeinsame Frequenz der Transversalschwingungen der Streben ändern.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß das Schwingelement, das sich in der Kammer befindet, gar nicht dem Fluid, dessen y> Druck gemessen werden soll, ausgesetzt wird und daß darüber hinaus auf Grund der Konstruktion des Schwingelements selbst mit zwei Stirnteilen, die durch mehrere parallele Streben miteinander verbunden sind, eine Messung bis zu verhältnismäßig hohen Drucken möglich ist. Da das Schwingelement dem zu messenden Fluid nicht ausgesetzt wird, kann es aus irgendeinem Material hergestellt sein, das eine geeignete Schwingungscharakteristik aufweist. Selbstverständlich läßt sich der erfindungsgemäße Meßumformer auch für nicht korrosive Fluide verwenden.

Zur erfindungsgemäßen Lösung des zugrunde liegenden Problems sei noch auf das ältere deutsche Patent 12 43 895 hingewiesen, nach dem bereits ein elektromechanischcr Meßumformer vorgeschlagen wurde, bei >o dem jedes Schwingelement zwei schwingende Arme aufweist, die an ihren Enden miteinander verbunden sind, so daß jedes Schwingelemcnt die Gestall zweier an den Stirnflächen ihrer Zinken verbundenen Stiminga- · bein aulweist. Dieser elektromechanische Meßumformer wird insbesondere als Beschleunigungsmesser verwendet, da in Richtung der Längsachse der Schwingeleniente wirkende äußere Kräfte zu Frequenzänderungen führen, die zur Messung der Kraft ausgewertet werden können. Nicht geht es jedoch dabei 1,0 um einen Meßumformer, mit dem der Druck von Fluiden, insbesondere korrosiven Fluiden. gemessen werden soll.

Weiterbildungen tier crlnulungsgemalien Anordnung -nid durch die ί Inieninspi liehe gekennzeichnet. ei

Aiisfülii imgsbeispiele der KrI nulling werden nachstehend an 11.mti tier Zeichnungen beschrieben. Dabei

Fig. I einen vereinfachten Schnitt durch ein Auslulirungsbeispiel.

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 bis 5 vereinfachte Schnitte durch weitere Ausführungsbeispiele.

Fig.b einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispieis,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels nach F i g. 5.

F i g. 8 einen Schnitt durch ein abgewandeltes Teil des Ausführungsbeispiels nach F i g. 7 und

Fig.9 und 10 Rahmenkonstruktionen von Ausfiihrungsbeispielen, bei denen zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen piezoelektrische Einrichtungen verwendet sind.

Gemäß der F i g. 1 enthält ein Gerät zum Messen von Fluiddrucken eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion, die zwei nahezu identische Streben oder Stäbe 11 und 12 enthält, die mit zwei Stirnteilen 13 und 14 aus einem Stück gefertigt sind, mittels denen die beiden Streben 11 und 12 mit zwei ausgerichteten Stangen 15 und !6 gekoppelt und wirksam an ihren Enden eingespannt werden können. Die beiden Streben können auch einzeln gefertigt und fest mit den beiden Stirnteilen verbunden sein. Die Stange 15 bildet ein erstes Kraflübertragungsglied und es ist daran eine Scheibe 17 fest angebracht. Ein zweites Kraftübertragungsglied wird durch die Stange 16 gebildet, die fest mit einer Abschlußwand 18 eines zylindrischen, starren Gefäßes 19 oder einer Kammer 19 verbunden ist.

Die Scheibe 17 und die Stangen 15 und 16 sind koaxial mit dem zylindrischen Gefäß 19, und die Streben 11 und 12 liegen parallel zu dessen Achse 20 und sind, wie in der Fig. 2 angedeutet ist, von dieser gleichweit beabstandet. Beim Betrieb können daher durch die Kraftübcrtragungsglieder auf die Streben 11 und 12 derart Kräfte einwirken, daß sie in gleicher Weise in Druck- oder Zugriehtung beansprucht werden. Außerdem sind die Streben U und 12 symmetrisch um die gemeinsame Achse 20 angeordnet.

An der Scheibe 17 und dem Rand 22 des Gefäßes 19 ist ein flüssi.gkeitsdichter flexibler Ring 21 befestigt, durch den ein flüssigkeitsdichter Raum abgeschlossen wird, der durch das Gefiiß 19, die Scheibe 17 und den Ring 21 gebildet ist und der entweder mit einem Gas. durch das ein Vergleichsdruck festgelegt wird, ausgelülli oder evakuiert ist. Die Scheibe und der Ring können auch aus einem Teil bestehen.

Während des Betriebs ist das Gefäß 19 derart in der Wand einer (nicht gezeigten) mit einem Medium gefüllten Kammer befestigt, das der Druck des Mediums über die äußeren Oberflächen der Scheibe 17 und des Rings 21 angelegt ist. Durch eine Differenz, /wischen dem Druck des Mediums und dem ViTgleichsdruck werden Kräfte hervorgerufen, die gleichermaßen auf die Streben 11 und 12 wirken.

Die Streben Il und 12 bestehen aus einem niclii ferromagnetische!! Metall und sind parallel an die Ausgangsklemmen eines Verstärkers 25 angeschlossen. Zwei stabförmige Permanentmagnete 23 und 24 sind derart innerhalb ties Gefäßes oder der Kammer 19 angeordnet, daß die Mittelabschnitte der Streben 11 und 12 in Querrichtung von stationären Magnetfeldern durchsetzt sind, wobei die I eltler durch die Suchen Il lino 12 parallel, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Beule Magnetleldcr verlaufen außerdem senkrecht zu derjenigen Ebene, die die Längsachsen der Sueben Il und 12 enthalt. Λη den Stichen Il und 12 sind

Dehnungsniessei 26 und 27 helestigi. nut denen die Ii';ins\ei"s.iKcliuint:iinL'en der Streben Il und 12 in cine ι lx'men ι ν. :'ieii I be no gen lessen wen'en und die mn den l.iiigangskiemmcn eines \ orv '.Tslai k,:rs 28 verbunden sind, der über einen Phasenschieber 29 mit ilen Fingatig^klenuren des \ crsiärkers 25 \ erbumleii ist.

Beim Betrieb werden durch Rückkopplung durch die ^c-'tirker 25 und 28 und den Phasens». hieber 29 die Trai.-versalschwingungen der Streben 11 und 12 bei viner gemeinsamen Resonanzlrequenz aufrechterhal ten. Die elektrischen Strome unii Verstärker 25. die durch die Streben Il und 12 Hießen, sind Wechselströme, die die gleiche Frequenz wie die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 besitzen und durch ihre momentanen Nullpunkte gehen, wenn die Streben Il 'nid 12 in ihrer unbeanspruchten Normalstellung sind. Da tlie Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind. schwingen die Streben Il und 12 in Phase bezüglich der •\jlise 20. d. h. entsprechende Punkte in Längsrichtung der Sirehen bewegen sich außer an den Knoten relativ zueinander in entgegengesetzter Richtung.

Die DiiiihbicguPL.'cr! .ier Streben Il und 12 werden mn den Dehnungsmessern gemessen, von denen ein Sig:,al erzeug' wird, das im Vorverstärker 28 verstärkt wird. Die Signale vom Dehnungsmesser werden zur Modulation des durch die Streben 11 und 12 fließenden Stroms sou·)hl mit Hinblick auf die Große als auch die Richtung verwendet. Da die Signale ihren Höchstwert erreichen, wenn die Streben 11 und 12 am stärksten durchgebogen snni. ist zwischen dem Vorverstärker 28 und dem Verstärker 25 der Phasenschieber 29 vorgesehen, durch den die Phasenlagen der vom Dehnungsmesser kommenden Signale derart verändert werden, dall die durch die Streben 11 und 12 fließenden Strome bei geraden Streben am größten sind. Ls wird daher ein im wesentlichen smuslörmiger elektrischer Strom erzeugt, der die gleiche Frequenz wie die TVansv ersalv hw mgungjn der Streben oder Stabe 11 und 12 Ix-S¹Vi. gegenüber diesen aber uir. .τ/2 ;■>'".!Sein e'sehi iben ist. so UaB die Trans ν ersalschvvingun

^ute'haiten bleib

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i liter . "Tl^---^ci'en. nut denen der durchgehende I -eo'.ierzbereith in ·. HordciiLher Weise beschränkt >· :"■!. Die STebe'": 11 und 12 werden entweder durch <.^;rc> ieiv-h'en mechanischer; Anstoß oder durch wiektrische Rjiischeffekie im \ erstarker 25 beim i.:'scr,ai;en der aus den \'ersi.:rke"i 25 und 28 und dem f'".-sc-:s_Lh!c!---r 29 rcs'chcnuen elektrischen F.inrich-' .'J :" Se¹'·· gtjngen versetzt.

I) L- I reauenz der 1 ■ \insv ersalschw ingungen ii-jv sveben 11 und 12 hangt \nn der auf sie v^ irkenden K.^r;:"!cT ar. Die Frequenzen können indirekt durch Messung der Frequenzen des während des Betriebs durch die Stäbe 11 und 12 fließenden Wechselstroms festgestellt werden. Mit den Ausgangsklemmen des Verstärkers 25 ist zu diesem Zweck ein Frequenzmesser verbunden. Nach entsprechender Eichung kann daher ir::; Hilfe dieses Meß- oder Kraftumformers in einem gewissen Bereich der Druck eines Mediums gemessen werden.

Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Transversalschwingungen auch auf andere als die oben beschriebene Weise aufrechterhalten werden. Beispielsv. eise können die Streben aus piezoelektrischem Material bestehen und es können ihre Transversalst hw ingungen durch Rückkopplung mit Hilfe piezoelek- :nsi.her Sensoren aufrechterhaiier: werden, oder die Suchen K-sichen an*, fcrmmaiynetischem Metall und werden elektromagnetisch durch Rückkopplung vot Detcktorspiilcn aul Flcktromagncte in ihrem Schwin g uiigsziiM.i ι id gehalten.

Handelt es sich um ein Auslührungsbeispiel ziin Messen ties Drucks eines schädlichen Mediums. /. Ii eines radioaktiven Mediums, dann kann es wirtcilh scm. zum Aufrechterhalten der Schwingungen eini Hinrichtung vorzusehen, die außerhalb des Gefäße oder des Gehäuses des I Imlormers angeordnet sind Fine solche Hinrichliing kann beispielsweise l.lektn magnete enthalten, wenn die Streben aus magnetischen Material bestehen und das Gehäuse aus nichimagneti schein rostfreien Stahl besteht. Hierdurch sind kcint elektrische Isolierungen im Gehäuse für die Zuleitungei zur Hinrichtung zum Aufrechterhalten der Schwingun gen notwendig. Die Hinrichtung zum Aufrechterhaltet der Schwingungen kann auch optische oder eleklrosia tlösche Flemente enthalten.

In der Fig. i ist ein anderes Auslührungsbeispie gezeigt, hei dem das eine Kraftiiberiragungsglied ein Stange 15 ist. an der eine Scheibe 31 starr befestigt is Die Scheibe 31 und eine Scheibe 32 sind starr an einer /ι ihnen koaxialen Stange 33 befestigt und durch diese au Abstand gehalten. An der Scheibe 31 und einem nacl innen in das Gelaß 19 ragenden, ringförmigei Wandvorsprung 35 ist ein Balg 34 befestigt. Hin weitere Balg 36 ist an der Scheibe 32 und einem Rand 22 de Gefäßes 19 befestigt. Durch einen F.inlaßnippcl 37. de in die zylindrische Wand des Gefäßes 19 geschraubt is: kann in die durch die beiden Scheiben 31 und 32. det Wandvorsprung 35. die Bälge 34 und 36 und einen Tei der zylindrischen Wand des Gefäßes 19 gebildet Kammer ein Medium eingelassen werden. Das Gefäß 1' ist während des Betriebs derart in der Wand eine weiteren (nicht gezeigten) Kammer befestigt, in welche sich ein zw cites Medium befindet, daß der Druck diese zw eiten Mediums über die äußere Oberfläche de Scheibe 32 und den Balg 36 übertragen wird. Der Raun zw ischen der Abschlußwand 18 und der Scheibe 31 ist ii diesem I all evakuiert.

Mit den Stäben 11 und !2 sind (nicht gezeij: Hinrichtungen ν erblinden, die Transversalschw ingungct der Strebe!", in Phase und bei einer gcmeinsamei Rcsont. /frequenz, ermöglichen.

Beim Betrieb sind beide Streben 11 und 12 in gleiche Weise Kräften ausgesetzt, was im wesentlichen dii Folge der Druckdifferenz zwischen den Drücken de Medien zu beiden Seiten der Scheibe 52 ist. Di' Ausgangsgröße im Verbundbetrieb, d. h.. das Verhaltni des Ausschlags in Abhängigkeit von der Summe de Drücke zum Anschlag in Abhängigkeit von de Differenz der Drücke, ist nahezu proportional den Verhältnis der Fläche der Scheibe 31 zur !lache de Scheibe 32 und kann daher klein im Vergleich zu Ein gemacht werden.

Ein drittes AusführungsbeispieL das in der F i g. gezeigt ist. weicht vom zweiten Ausführungsbeispic dadurch ab. daß das zweite Kraftübertragungsglie nicht direkt an die Abschlußwand 18 des Gefäßes 1' anschließt. Dafür besteht das zweite Kraftübertragung; glied aus der Stange 16. an der eine Scheibe 41 star befestigt ist. die fest an einer Stange 43 befestigt ist a die sich eine Scheibe 42 anschließt, die durch die Stang 43 von der ersten Scheibe 41 beabstandet ist. Di Scheiben 41 und 42 und die Stange 43 sind koaxial mi dem zylindrischen Gefäß 19 angeordnet Mit de Scheibe 41 und einem starren inneren ringförmige Wandvorsprung 45 des Gefäßes 19 ist ein Balg 44 um

mil tier Scheibe 42 und einem weiteren starren inneren ringförmigen Wandvorsprung 48 ein Balg 4b fest verbunden. Hin Hinlaßnippel 47, der in die zylindrische Wiiiul des Gefäßes 19 geschraubt ist, dient /um Einlassen eines Mediums in die durch die Scheiben 41 ~. und 42, die Bälge 44 und 46 und einen Teil der Gefäßwaid begrenzte Kummer. Die Kummer /wischen der Absehlußwand 18 und der Scheibe 42 und die Kummer zwischen den Scheiben Jl und 41 sind evakuiert. m

Hin /weites Medium kann beim Betrieb uul'die äußere Oberfläche der Scheibe 32 einwirken, wie es in Verbindung mit dem /weiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.

Die Ausgangsgröße beim Verbundbetrieb kann beim r> dritten Ausführungsbeispie! dadurch nahezu auf Nu!! gebracht werden, duß man die Fläche, über die das erste Medium auf die Scheibe 42 einwirkt, größer als die Flüche macht, über die es auf die Seheibe 41 einwirkt, und zwar um einen Betrag, der gleich der Fläche ist. über .?<> die es auf die Scheibe 31 einwirkt.

In der F i g. 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel gezeigt. Zwei elastische Streben 11 und 12. die mit (nicht gezeigten) Einrichtungen zu Transversalschwingungen bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz und in Phase 2 > angeregt werden, sind am einen Ende mittels eines starren ringförmigen, nach innen ragenden Vorsprungs 52 an einem zylindrischen Gehäuse 53 befestigt wobei der Vorsprung und das Gehäuse als erstes Kraftübertragungsglied wirken. Die anderen Enden der Streben 11 j<> und 12 bestehen mit einer Scheibe 51 aus einem Stück. uic an einem zweiten, zweiteiligen Kraflübertragungsglied befestigt ist. Fin Teil dieses zweiten Kraftübertragungsgliedes enthält eine Stange 54, die an einer Scheibe 55 befestigt ist. während der andere Teil aus r> einer weiteren Stange 54 besteht, die an einer Scheibe 56 befestigt ist. Die Stangen 54 und die Scheiben 55 und 56 sind koaxial angeordnet.

Die Scheiben 55 und 56 sind gleich groß und über den Bereich von Bälgen ausgedehnt, mittels denen sie mit den Enden des Gehäuses 53 verbunden sind. Die Scheibe 55 ist gleichzeitig Wand einer Kammer 57. die beim Betrieb mit einem ersten Medium gefüllt ist. Die Scheibe 56 bildet gleichzeitig die Wand einer weiteren Kammer 58, die beim Betrieb mit einem zweiten 4-, Medium gefüllt ist. Der Raum /wischen den Scheiben 55 und 56 ist evakuiert.

Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 ist in irgendeiner Ebene durch die Achse des Gehäuses 53 im wesentlichen symmetrisch. ~<n

Beim Betrieb erzeugt die Druckdifferenz zwischen den Drücken des ersten und des zweiten Mediums gleiche Kräfte an den Streben 11 und 12.

Beim Ausführungsbeispie! nach der F i g. 1 hat sich herausgestellt,daß während des Betriebs die Mitten der y-, Endabschnittc 13 und 14 im Gegentakt mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die Schwingungsfrequenz der Streben 11 und 12 ist und mit einer Amplitude schwingen, die vergleichsweise klein ist wenn die Streben 11 und 12 im Vergleich zn ihrem Abstand t>o ausreichend lang sind. Um die Schwingungen der Mitten der Endabschnitte zu vermeiden, kann man eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion nach der Art des in der Fig.6 gezeigten Ausführungsbeispiels verwenden.

Gemäß der F i g. 6 sind zwei elastische Streben 61 und 62 mit zwei Endabschnitten 63 und 64 aus einem Stück gefertigt. Die Mittellinien 65 und 66 der Streben 61 und 62 sind von den linden her /ti einer Achse 67 hin geneigt die durch die Milieu der Hiulabselinille 63 und 64 verläuft.

Bei anderen Ausluhrungsbeispielen kann die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion einen kreisförmiger oder elliptischen Ring enthalten, der beim Betrieb Biegungssehwingungen in seiner l-lbene ausführt. Zwe Kraftübertragungsglieder können einander diametra gegenüberliegend am Ring befestigt sein, wodurch dk Belestigungspunktc der Kraftüberiragungsglieder dit F.ndabschniltc der Rahmenkonstruktion markieren unc die entgegengesetzten Ringsegmente zwischen der Befestigungspunkten elastische Verstrebungen bilden die in Phase mit gleicher oder nahezu gleichei Resonanzfrequenz schwingen.

Es hat sich gezeigt, daß die Frequenzänderung dci Transversalschwingungen der Streben eines Ausfüh rungsbeispiels mit der Änderung der anliegenden Kräfte in einem Bereich ausnutzbar ist, der nahe dem Punki liegt, bei dem die Rahmenkonstruktion zusammenbricht Hin vorgespanntes elastisches Gebilde, z. B. eine vorgespannte Feder und ein Anschlagglied, kann in cir Kraftübertragungsglied eingebaut werden, damit e; beim Betrieb als starres Gelenk dient, bis beispielsweise eine vorgewählte Spannung in Druckrichtung erreichi ist. während es anschließend bei ansteigender Beanspru chung zur Übertragung einer nahezu konstanter Spannung dient. Starre Anschlagglieder können inner halb eines Kraftumformers, wie es in der Fig. 1 bei 7( angegeben ist, dazu vorgesehen sein, um die Bcwegun gen beim Zusammenbrechen der zusammengesetzter Rahmenkonstruktion zu begrenzen.

Die Ausführungsbeispiele eignen sich auch für andere Zwecke als zu Druckmessung. Beispielsweise können sit zum Messen von Trägheitskräften, die durch Beschleu nigungen entstehen, oder zum Messen von Feldstärken wie beispielsweise Gravitationskräften, verwende: werden.

Die Meßumformer können auch mit elastischer Streben in Form von Röhren oder hohlen Stäber versehen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel werder zwei Röhren verwendet, die parallel zur Achse eine: zylindrischen Gefäßes angeordnet und von dieser gleicr weit beabstandet sind.

Es lassen sich außerdem Ausführungsbeispiele au: zwei oder mehreren elastischen Streben konstruieren.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel enthält als Rahmen konstruktion einen Hohlzylinder aus ferromagneti schem Metall, in dessen zylindrischer Wand breite l.angsschlitze mit untereinander gleichen Abmessunget vorgesehen sind, die eine Anzahl elastischer Streben ir Form von Streifen bilden, die gleichmäßig um der Umfang verteilt sind und parallel zur Achse de; Hohlzylinders verlaufen. Das eine Ende des Hohlzylin ders ist mi* eine^· Abschlußplatte verschlossen, die ah erstes Kraftüberiragungsglied wirkt Eine flüssigkeits dichte Ringdichtung ist an der Abschlußplatte und den Rand eines zylindrischen Gefäßes befestigt das al: Gehäuse für die zusammengesetzte Rahmenkonstruk tion dient Das zweite Kraftübertragungsglied enthäl am anderen Ende der zusammengesetzten Rahmenkon struktion einen Flansch und einen mit diesem aus einen Stück bestehenden, mit Gewinde versehenen Rand Di« Rahmenkonstruktion ist mittels des Gewindes am Ranc mit dem Gehäuse verschraubt. Beim Betrieb wirkt dei Druck eines Mediums in einem Behälter, in dessei Wand das Gefäß befestigt ist auf die äußere Oberfläche der Abschlußwand der zusammengesetzten Rahmen

konstruktion, die somit durch die auf die Abschlußplatie wirkende Druckdifferenz, und die dadurch bewirkte Gegenkraft parallel zu ihrer Längsachse zusammengedrückt wird. Der Druck innerhalb des Gefäßes ist dabei ein geringer Vergleichsdruck. Bei einem derartigen Ausluhrungsbeispiel kann eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Stieben vorgesehen sein. Innerhalb der Rahmenkonstruktion, jedoch von diesel¹ beabslandet. ist ein Körper aus einem wärmchürtbaren Harz vorgesehen. Eine Antriebsspule und eine Aiifnahmespulc sind in diesem Körper eingebettet und über einen Verstärker derart verbunden, daß sie eine Rückkopplungsschleife zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen jeder Strebe bilden. Die Antriebs- und die Aufnahmespulen sind mit Permanentmagneikernen ausgerüstet. Die Achsen der Spulen schneiden die Achse der Rahmenkonstruktion senkrecht und liegen senkrecht zueinander, damit direkte Kopplungen minimal sind. Eine optimale Orientierung der Achse der Antriebsspule zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen der Streben kann empirisch ermittelt werden. Bei Betrieb schwingen die Streben in Phase miteinander relativ zur Achse der Rahmenkonstruktion, d. h. die Mittelpunkte aller Streben erreichen gleichzeitig den Ort maximalen Ausschlags von der Achse der Rahmenkonstruktion. Bei ähnlichen Ausführungsbeispielen können durch Verwendung anderer geeigneter Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen der Streben andere Phasenbeziehungen zwischen den Schwingungen der einzelnen Streben herrschen.

In der Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Rahmenkonstruktion zwei mittlere Streben 11 und 12 enthält, die mit ihren Endabschnitten 14 und 15 aus einem Stück bestehen und aus der rostfreien ferromagnetischen Legierung N-Span-C 902 gefertigt sind. Ni-Span-C 902 ist eine Eisen-Nickel-Chrom-Legicrung. die folgende Zusammensetzung aufweist:

Nickel (plus Cobalt)

Chrom

Titan

Aluminium

Kohlenstoff

Mangan

Silicium

Schwefel

Phosphor

Eisen

41,0 bis 43,5%
4.90 bis 5,75%
2,20 bis 2.75%
0,30 bis 0,80%
0,06 max. %
0.08 max. %
1,00 max. %
0,04 max. %
0.04 max. %
Rest

Weitere Einzelheiten über diese Legierung lassen sich aus Druckschriften von Herstellerfirmen entnehmen.

Die Streben sind derart ausgebildet, daß eine Breitseite der Strebe 11 einer Breitseite der Strebe 12 gegenübersteht. Hierdurch besitzen die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 in der durch ihre Achsen verlaufenden gemeinsamen Ebene eine geringere Frequenz als in den entsprechenden Ebenen senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 7 besitzt jede Strebe eine Dicke von etwa 0,05 mm. eine Tiefe von 3,66 mm und eine Länge von 1Z7 mm. Jeder Endabschnitt und damit die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion besitzt eine Breite von etwa 11,18 mm.

Der Endabschnitt 14 ist an einer Abflachung an einem Stab 54 aus unmagnetischem Metall angeschweißt. Eine weitere Abflachung am Stab 54 sorgt für ein Spiel zwischen dem Stab und dem Endabschnitt 15. Der Endabsehnilt 15 ist an einem Vorsprung angeschweißt, der an dem starren Ring 52 ausgebildet ist, durch den der Stab 54 frei durchgeht. Der Ring 52 ist mit dem einen Ende eines nicht ferromagnetische!) zylindrischen ) Metallgehäuses 53 verschweißt. Eine Abschlußplattc 81 aus Metall, die mit dem Ring 52 verschweißt ist, ersetzt den flexiblen Ring 21 und die Scheibe 55, während eine ähnliche Abschlußplatte 82 aus Metall, die mit dem anderen Ende des Metallgehaltes 53 verschweißt ist,

κι einen zweiten flexiblen Ring 21 und die Scheibe 56 bildet. Die Enden des Stabs 54 sind mit den Scheiben 55 und 56 verschweißt.

Beim Betrieb werden durch die Kraftübertragungsglieder, die den Ring 52, den Stab 54 und die Scheiben 55 bzw. 56 enthalten, auf die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion Kräfte übertragen, die längs einer Linie wirken, die um einen kleinen Winkel gegenüber der Längsachse der Rahmenkonstruktion geneigt ist. Dies ergibt sich auf Grund einer ausgleichenden Kopplung,

>o die durch diejenigen Komponenten der Reaktionskräfte hergestellt ist, die senkrecht zu den Etreitseitcn der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion wirken.

Der Raum zwischen den Abschlußplatten 81 und 82 ist mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt. Der Druck des diesen Raum füllenden Mediums hat keinen Einfluß auf die Übertragung von Kräften auf die Rahmenkonstruktion. Die Abschlußplatten sind innen mit je einem ringförmigen Anschlagglied 70 aus Metall verschraubt, durch das die Bewegungen der Scheiben 55 und 56 beim Zusammenbruch begrenzt werden sollen. Ein anderes Ausführungsbeispiel mit nur verschweißten Abschlußplatten und Anschlaggliedern ist in der F i g. 8 gezeigt.

Die Abschlußplatten 81 und 82 weisen Schraubenöffnungen auf, damit Rohre mit passenden Flanschen mit ihnen verbunden und die Medien, deren Drücke gemessen werden sollen, mit der gesamten äußeren Oberfläche der Scheiben 55 und 56 in Berührung gebracht werden können.

Auf dem Stab 54 ist ein Joch 83 aus Aluminium oder nicht ferromagnetischem rostfreien Stahl befestigt, das mittels zweier Stellschrauben in einer vorgewählten Stellung festgehalten ist. Das Joch ist bezüglich der Schnittebene der F i g. 7 symmetrisch. Eine Antriebsspule 84 und eine (nicht gezeigte) Aufnahmespule sind in

■45 entsprechenden Öffnungen an den Enden des Jochs vorgesehen. Die Stellung des Jochs 83 auf dem Stab 54 ist derart, daß die Achsen der Antriebsspule und der Aufnahmespule durch die Mittelpunkte der Streifen 11 und 12 verlaufen.

5(i Die Antriebsspule 84 ist mit dem Ausgangskreis und die Aufnahmespule mit dem Eingangskreis des Verstärkers 25 verbunden, der in ein wärmehärtbares Harz eingebettet und im Gehäuse 53 zwischen einem nach innen ragenden Vorsprung des Gehäuses und einem Haltering angeordnet ist. der in einer inneren Nut des Gehäuses sitzt. Der Stab 54 und ein Kabel 85, durch das die Antriebsspule und die Aufnahmespule mit dem Verstärker 25 verbunden ist, sind durch eine Öffnung im Verstärker 25 geführt. Eine Spannungsquelle 86 und der Frequenzmesser 30 sind mit dem Verstärker 25 durch Steckerstifte 87 verbunden, die in eine Steckerbuchse 87 gesteckt sind, welche in der Wand des Gefäßes 19 befestigt ist. Beim Bei rieb werden die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 durch eine kleine mechanische Schwingung oder durch elektrische Rauscheffekte beim Einschalten des Verstärkers 25 angeregt. Sie erfolgen in einer Ebene, die die Längsachsen der Streifen enthält bei einer gemeinsa-

men Resonanzfrequenz. Durch Rückkopplung mittels des Verstärkers 25 von der Aufnahmespule zur Antriebsspule 84 weiden diese Schwingungen aufrechterhalten. Der Verstärker besitzt eine geeignete Verstärkung und die geeigneten Eigenschaften hinsichtlich der Phase. Die Streben schwingen bezüglich der Längsachsen der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion in Phase miteinander, was eine natürliche Folge der Form der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion ist.

Der Frequenzmesser 30 ist mit dem Ausgangskreis des Verstärkers 25 verbunden und dient zum Messen der Frequenz des Wechselstroms, der in der Antriebspule 84 fließt. Die Antriebspule und die Aufnahmespule sind mit Vorspannungswicklungen ausgerüstet, die von der Spannungsqueüe 86 mit Spannung versorgt werden und von Gleichstrom durchflossen werden, so daß stationäre Magnetfelder entstehen. Das Magnetfeld der Antriebsspule 84 soll vermeiden, daß sich das gesamte Magnetfeld dieser Spule mit der doppelten Frequenz wie die Frequenz der Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 ändert.

In der F i g. 9 ist eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion gezeigt, die die gleiche Form wie das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 8 aufweist und aus dem gleichen Material besteht, bei der jedoch die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 mit Einrichtungen angeregt und gemessen werden.

Gemäß der Fig. 9 sind Platten 101 — 104 aus piezoelektrischer Keramik mit der Rahmenkonstruktion verbunden. Die Antriebsplatten 101 und 102 sind an entgegengesetzten Enden der Strebe 11 und die Aufnahmeplatten 103 und 104 an entgegengesetzten Enden der Strebe 12 befestigt. Jede der Platten 101 bis 104 besitzt eine Metallelektrode. Beim Betrieb ist der Verstärker 25 zwischen die Elektroden der Antriebsplatten 101 und 102 geschaltet. Die elektrische Potentialdifferenz, die auf Grund der Schwingungen des Streifens zwischen den Elektroden der Aufnahmeplatten 103 und 104 entsteht, dient als Eingangsgröße für den Verstärker 25. Die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 in der Ebene ihrer Längsachsen werden somit durch Rückkopplung über den Verstärker aufrechterhalten, der einen geeigneten Verstärkungsfaktor und die richtigen Phaseneigenschaften besitzt. Die Frequenz der Ausgangswechselspannung des Verstärkers wird mit dem Frequenzmesser 30 gemessen.

In der Fig. 10 ist eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion gezeigt, die aus einer Quarzplatte geschnitten ist, deren Flächen parallel zur YZ-Ebene aus den piezoelektrischen Kristallachsen liegen. Die Richtungen der X-, Y- und Z-Achse bezüglich der Rahmenkonstruktion sind durch 111, 112 und 113 angedeutet.

Auf die Oberseite der Rahmenkonstruktion sind vier Metalielekiroden 114,115,116 und 117 aufplattiert. Vier weitere (nicht gezeigte) Elektroden, die ähnlich geformt und angeordnet sind, sind auf der Unterseite der Rahmenkonstruktion aufplattierl. Die Elektroden 114 und 116 und die entsprechenden Elektroden auf der Unterseite der Verstrebung sind mit dem Ausgangskreis des Verstärkers 25 derart verbunden, daß die innere obere Elektrode 114 direkt mit der äußeren unleren und die äußere obere Elektrode 116 direkt mit der inneren unteren Elektrode verbunden ist. Die Elektroden 115 und 117 und die entsprechenden Elektroden auf der Unterseite der Verstrebung sind in ähnlicher Weise mit dem Eingangskreis des Verstärkers 25 verbunden. Beim Betrieb dienen daher die Elektroden 114 und 116 und die entsprechenden unteren Elektroden als Antriebsclektroden und die Elektroden 115 und 117 und die entsprechenden unteren Elektroden als Aufnahmeelektroden. Die Transversalschwingungen der Streben 1! und 12 werden somit durch Rückkopplung über den Verstärker 25 aufrechterhalten, der den richtigen Verstärkungsgrad und die richtigen Phaseneigenschaften aufweist, wobei die Frequenz der Ausgangswechselspannung des Verstärkers mit dem Frequenzmesser 30 gemessen wird.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 7,9 und 10 ist die Abhängigkeit der Frequenz /'der Transversalschwingungen einer Strebe oder eines Stabes der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion von der Belastung 5. die auf die Streifen oder Stäbe wirkt, durch die Gleichung

gegeben, worin /» für jede Rahmenkonstruktion eine Konstante ist und

S₀ =

An¹EIn²

bedeutet. Dabei ist Eder Elastizitätsmodul des Streifen- oder Stabmaterials, / das Moment der Querschnittsfläche des Streifens oder Stabes, /die effektive Länge des Streifens oder Stabes und η eine ganze Zahl. Der Wen von / kann empirisch bestimmt werden. Si ist die Eulersche Knickkraft.

π Obgleich bisher nur Ausführungsbeispiele beschrieben sind, bei denen die Rahmenkonstruktion bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz schwingen, sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die Frequenzen, bei denen die Streben schwingen, nahe einer

■>o gemeinsamen Resonanzfrequenz liegen. Beispielsweise können die Schwingungen in der Rahmenkonstruktion impulsweise angeregt und anschließend natürlich gedämpft werden, und es kann die Frequenz der gedämpften Schwingungen gemessen werden. Die Streben bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind nur leicht gedämpft so daß die Frequenz der Schwingungen, die die Eigenfrequenz ist, im wesentlichen bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz liegt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer für Fluiddrucke, mit einem Schwingelemenii, das in einer Kammer angeordnet ist, mit Einrichtungen zur Anregung von Resonanzschwingungen des Schwingelements, mit Einrichtungen zur Zufuhr des zu messenden Fluiddruckes zu dem Schwingelement, um dessen Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von dem Fluiddruck zu ändern, und mit einer auf Resonanzschwingungen ansprechenden Einrichtung, die ein Ausgangssignal mit einer von der Schwingungsfrequenz des Schwingelements abhängigen Frequenz abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (11 bis 14) in an sich bekannter Weise zwei Stirnteile (13,14) enthält, die durch mehrere parallele Streben (11,12) verbunden sind, die symmetrisch um eine gemeinsame, paralleJ zu den Streben verlaufende Achse angeordnet sind, und von denen jedes zu Transversalschwingungem bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz erregbar ist, daß die Kammer (19) gegenüber dem Eintreten von Fluid abgedichtet ist. dessen Druck gemessen werden soll, daß die Stirnteile (13, 14) des Schwingelements über Kraftübertragungsglieder (15, 16) mit Scheiben (17, 18) der Kammer (19) verbunden sind, von denen mindestens eine bewegbar ist, daß der zu messende Fluiddruck an der Außenseite mindestens einer der Scheiben (17) angreift und daß Änderungen des zu messenden Fluiddruckes über diese Scheibe(n) (17 und/oder 18) die auf die Streben (11, 12) einwirkenden Kräfte und damit die gemeinsame Frequenz der Transversalschwingungen der Streben (11, 12) ändern.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (11, 12) einstückig mit den Stirnteilen (13,14) ausgebildet sind.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (19) eine Trennwand (31, 35) enthält, durch die ein Kraftübertragungsglied (15) abgedichtet hindurchgeführt ist, und daß ein Einlaßnippel (37) als Einlaß für ein weiteres Fluid in denjenigen abgedichteten Raum vorgesehen ist, der zwischen der Trennwand (31, 35) und der mit dem Kraftübertragungsglied (15) verbundenen Wand (32) ausgebildet ist, und daß der Meßumfor mer auf die Druckdifferenz zwischen dem eisten und dem zweiten Fluid anspricht.

4. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Schwingungen mindestens einen Magnet (23,24) enthält, dessen Magnetfeld die Streben (11,12) durchsetzt.

5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sueben (11, 12) aus nichimagnetischem Metall bestehen und zwei Magnete (23,24) so angeordnet sind, daß die Streben (II, 12) in Querrichtung von stationären Magnetfeldern durchsetzt sind, und daß die Streben (II, 12) parallel an eine elektrische Schaltungsanordnung (25, 28, 29) angeschlossen sind, in der zur Erregung der Transversalschwingungen des Sehwingclemenis (I I his 14) ein Wechselstrom nut der I rec|iien/ diesel Schwingungen er/eiighar um: ilen Streben (II. I?) /uliihibai ist.

h. MelUimloiniei n.ieli Anspruch 4. dadiiieii L-L'kenn/cielinel. il.ill die Sueben (II, 12) au·* ferromagnetische!!! Metall bestehen und der Magnet (23,24) als Elektromagnet ausgebildet ist.

7. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die mechanisch mit dem Schwingelement (11 bis 14) gekoppelt ist.

8. Meßumformer nach einem oder mehreren der ίο vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daßdasSchwingelement(ll bis 14)aus piezoelektrischem Material besteht, und daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen mehrere an dem Schwingelement (11 bis 14) befestigte Elektroden aufweist.

9. Meßumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26,27) eine Meßwertaufnehmerspule enthält, die die transversale Schwingt) gung mindestens einer der Streben (11, 12) aufnimmt.

10. Meßumformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung

2.Ϊ (26, 27) mindestens eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die mechanisch mit dem Schwingelement(ll bis 14) gekoppelt ist.

11. Meßumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen

jo ansprechende Einrichtung (26, 27) eine weitere Anzahl von Elektroden enthält, die an das Schwingelement (11 bis 14) befestigt sind.

12. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

ii daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen und die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26, 27) über einen Verstärker (28), einen Phasenschieber (29) und einen weiteren Verstärker (25) gekoppelt sind und

4« zusammen mit den Streben (11, 12) einen die Schwingungen anregenden Rückkopplungskreis darstellen.