DE1798186A1 - Druckwandler - Google Patents

Description

KISTLER INSTRUMENTE AG WINTERTHUR

Druckwandler In der Messtechnik bestehen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für Druck

wandler, welche den von einem Druckmedium erzeugten Druck in eine me M

ehsnieche Kraft umwandeln. Selche Druckwandler sind insbesondere in Dr»rl waagen eingebaut« bei welchen ein Gas - oder Flüssigkeitsdruck mit einer ix achanieche ι Kraft, meist erzeugt durch Gewichte, verglichen wird. Aehnli:he Druckwandler werden aber auch in Messgeräten verwendet, durch \¥ »Ich? die voui Druckmedium erzeugte Kraft auf eine elektrische Messzelle geleitet wird, in welcher diese in eine elektrische Grosse umgeformt wird.

Fur· dieoe Uniformung stehen verschiedene Mittel seur Verfügung. Bm könne? Dehnmessstreifen, piezoelektrische, magnetische oder kapazitive Systeme

verwendet werden. In allen Anwendungefällen handelt es eich aber darum«

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dm Druck des Messmediums, sei es ein Gao, eine Flüssigkeit oder ein halbfester Stoff, in eine entsprechende mechanische Kraft umzuwandeln. In bekannten Geräten wird diese Umwandlung durch einen metalliechen Kolben, der in einer Buchse passend geführt ist, durchgeführt. Wenn das Mess·, medium einen hohen Druck aufweist, z. B. über 1000 at, so treten besondere Dichtprobleme auf, die ausserordentliche konstruktive Massnahmen erf or dem, um eine befriedigende Abdichtung zwischen Kolben und seiner Führung zu erreichen. Damit man bei hohen Messdrücken noctf praktisch zu bewältigende Messkräfte bekommt, geht man dazu, entweder kleine Kolbendur cn messer zu verwenden, oder wenn dies nicht möglich ist, wird das bekannte System des Differentialkolbens eingesetzt. Auf diese Weise kann man mit relativ grossen Kolbendurchmessern sehr kleine wirksame Druckflächen erzeugen, wodurch Verbiegungen des Kolbens vermieden werden können.

Für eine einwandfreie Umsetzung von Mediumdruck in mechanische Kraft muss unter allen Umständen vermieden werden, dass zwischen dem Kolben und seiner Führung eine mechanische Reibung entsteht. Sobald Reibung entsteht, treten Hysteresefehler auf, welche das Messgerät unzuverlässig machen. In bekannten Anordnungen solcher Druckprüfgeräte werden die Kolben einer Oscillation oder einer Rotation ausgesetzt, damit ein Festsetzen derselben in Ihren Führungen verhindert wird. Die Erfahrung zeigt aber, dass trotz der Rotation dieser Kolben Hysteresefehler, insbesondere bei hohen'Drücken, entstehen können. Solche Hysteresefehler entstehen da-

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durch, dass sich*zwischen Kolben und seiner Führung befindliche Schmiermittel, das notwendig ist, in den sehr schmalen Ringspalten zersetzen kann

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und dadurch örtliche Klemmwirkungen hervorruft. Der ganze Vorgang dieser durch Schmiermittel bedingten Klemmerscheinung ist äueserst komplex und ist bis zur Zeit noch nicht genügend theoretisch abgeklärt worden.

Nach dem Gedanken der Erfindung wird nun ein ganz neuer Weg beeehritten, um diese Probleme der Abdichtung und der Schmierung von Kolben in ihren Führungen zu überwinden. Eine wichtige Voraussetzung für die Funktion des erfindungsgemässen Druckwandlers liegt darin, dass der Weg desselben zu Zwecken der Kraftmessung auf ein Minimum, d. h. auf wenige /im beschränkt wird. Dies kann erreicht werden, indem das an den Druckwandler anzuschliessende Kraftmesselement sehr starr ausgebildet wird, so dass bis zu seinem Vollaueschlag nur wenige pm Deformation notwendig sind. Solche Kraftmesselemente sind heute standardmässig auf dem Markt erhältlich. Sie können sowohl auf Dehnmessstreifen-, piezoelektrischer, magnetischer oder kapazitiver Basis sein. Vorzüglich eignen sich jedoch Kraftmesselemente auf

Basis, die mit einer Starrheit gebaut werden können, die

einem vollen Metallzylinder entspricht.

Der Gedanke der Erfindung soll an folgenden Figuren näher erklärt werden:

Fig. 1 stellt einen Druckwandler dar, wie er üblicherweise in Manometer und Messwertaufnehmer-Prüfwaagen verwendet wird,

Fig. 2 stellt einen erfindungsgemässen Druckwandler dar, der mit einer Kraftmesszeile zu einer Einheit verbunden ist.

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Fig. 3 stellt den kugelförmigen Diehtkolben des erfindungegemässen Druckwandler β mit deformiertem Ringdichtkeil dar« wenn der Druckwandler unter hohem Druck steht,

Fig. 4 stellt den kugelförmigen Diehtkolben des erfindungegemässen Druckwandlers, als Variante mit andere angeordnetem Dichtring, dar,

Fig. 5 stellt eine Anwendung des erfindungsgemässen Druckwandlers, zusammengebaut als Prüfwaage für Druckaufnehmer, Manometer oder ähnliche Kontrollgeräte, dar.

Von einer handelsüblichen Prüfwaage ist in Fig. 1 der wichtigste Teil gezeigt, wo die Druckumwandlung in eine Kraft geführt wird. Der Meeadruck ρ wird in den Raum 1 geleitet und wirkt auf den Kolben 3. Dieser ist in der Führungebüchse 2 mit passendem Spiel eingeläppt. Führungebüchse 2 ist im Gehäuse 4 eingepresst. Der Messkolben 3 drückt auf den Führungekolben 7, ^ der sich auf dem Krafthebel 10 abstützt. Durch den Antrieb 9 wird der Kolben 7, und via Mitnehmer 6 auch der Messkolben 3, in osillierende oder rotierende Bewegung versetzt, ohne dass in axialer Richtung eine Kraftwirkung auf den Messkolben 3 ausgeübt wird. Am pendelnd aufgehängten Bolzen 13 sind verechiedene Prüfgewichte 11 aufgehfingt. Wird der Mesedruck ρ nun langsam gesteigert bis er gerade Abheben des Balkens 10 vom Anschlag 12 bewirkt, so ist Gleichgewicht zwischen Mesedruck und Messkraft erreicht. Dieser Gleichgewichtszustand sollte sowohl zwischen aufsteigendemals auch abfallendem Messdruck jeweils am gleichen Punkt stattfinden. Bei höheren Drücken»

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s. B. über ΙϋΟΟ at ist dies jedoch nur schwer erreichbar, so dass sich grössere Hysteresefehler einstellen. Der Grund dieser Störungen liegt in Zersetzungeerscheinungen des Schmiermittels in den Spalten zwischen Kolben und Führung sowie in Verbiegung des Kolbens in seiner Führung. Werden gasförmige Medien gemessen« so ist Kolben 3 mit einer zusätzlichen Schmierung zu versehen« welche in hohen Druckbereichen wiederum zu ähnlichen Störungen führen kann.

Der Gedanke der Erfindung wird in Figur 2 am Beispiel eines einbaufertigen ™

Druckmesswandlers gezeigt. Der Messdruck ρ gelangt in den Messraum 21, welcher durch die hochglanzpolierte Bohrung 23 im Körper 24 gebildet ist. Der Körper 24 wird mit dem Montagegewinde 35 in die Messbohrung 22 gepresst, wobei der Dichtring 25 als Abdichtung wirkt. Die Kugel 26 mit dem Dichtring 27 wirkt nun in der Bohrung 23 als Druckwandler, wobei die erzeugte Druckkraft P mittels Druckverteilatück 30 auf das elektrische Kraftmesselement 31 übertragen wird. Das Kraftmesselement 31 ist mit dem An· Schluss 33 versehen, welcher mittels Stecker 34 mit Verbindungskabel und |

Auswertegerät verbunden ist. Mittels fUngverechraubung 32 wird die Kraft« messzelle 31 fest mit dem Gehäuse 24 vereinigt. Die Kugel 26 ist mit Spiel in die Bohrung 23 so eingesetzt, dass die Distanz a des Kugelmeridians vom Bohrungsende 36 etwa 0,8 r beträgt, dadurch wird b etwa 0,2 r. Die Bohrung 38 dient dazu, um den Ringraum 37 zu entlüften und mit dem Umgebungsdruck in Verbindung zu bringen. Scheibe 28 und Druckfeder 29 sind nicht nötig zur Funktion des Dichtkolbens· erleichtern jedoch den Betrieb nach längerem Versuchsunterbruch, indem der Dichtring 27 mit leichtem, konstanten An-' pressdruck gegen die Dichtkugel 26 angepresst wird.

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Die Funktion des erfindungsgemäesen Druckwandlerkolbena wird in Fig. 3 näher erläutert. 31 ist die hochpolierte, kalibrierte Bohrung. 32 ist wiederum der kugelförmige Kolben, 33 das Druckübertragungsstück, welches mit der Messzelle kraftschlUssig verbunden iet. 34 ist der deformierte Dichtring, wie er sich unter Einwirkung des Druckes ρ keilförmig zwischen Dichtkugel und Bohrung einbettet. Unter der Wirkung des Mediunidruckes ρ und des Auflagiäruckes P deformiert eich die Kugel von der ursprünglichen ausgezogenan Form in die gestrichelt eingezeichnete Ovalform. Dadurch verringert sich das Spiel zwischen Kugel und Bohrung. Bei der Dimensionierung dieses Spiels rnues dafür gesorgt werden, dass auch unter dem maximalen Druck eiae Berührung der Bohrung am Kugelmeridian nicht stattfindet, ansonst Reibung und eventuell Festsitzen die Folge wäre. Durch die Keilwirkung des Dishtringee 34-wird die Kugel genau zur Bohrung zentriert, so dass sie an keiner Stelle die Bohrungewand berührt. Dazu ist aber Bedingung, dass die Kugel sich in χ-Richtung frei auf der Unterlage 33 bewegen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Unterlage 33 an der Berührungeebene 35 optisch plan bearbeitet ist und aus einem sehr harten Material, z. B. Hartmetall od sr einem keramischen Oxydwerkstoff besteht. Dadurch wird erreicht, dass au zh bei sehr hohen Drücken ein sehr kleiner Eindruck in der Oberfläche 35 be 3'ieht, bzw. in der Kugeloberfläche. Von sehr grosser Bedeutung ist nun, de 3 3 der Deformationeweg ¹V zur Auslenkung der nachgee; ehalte ten Kraft mosszelle von Null bis zum Maximalwert in der Grössenordnung von wenigen μην gehalten wird. Die Erfahrung hat nämlich gezeigt, dass dies· kleine De formation annähernd mit dem Cvalwerden der Kugel kompensiert wird, so da··

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eine Verschiebung des Dichtringes 34 gegenüber der Bohrungewand praktisch nicht stattfindet. Auf diese Weise erklärt sich, dass eich mit dem erfindungsgemässen Wandler element praktisch hysteresefreie Umsetzung von Druck in Kraft bewerkstelligen lässt. Durch die Tatsache, dass der kugelförmige Dichtkörper 32 auf keine Weise Wandberührung erhält, ist jede Reibung ausgeschlossen. Der Dichtring 34 aus einem hochelast ischen und hochfesten Material, z. B. Viton, oder einem ähnlichen hochwertigen Kunstgummi, ver- ^

hält sich unter hoher Druckeinwirkung ähnlich wie eine Flüssigkeit, so dass Schmierung des erfindungsgemäesen Wandlerelementes nicht notwendig ist, da wie erwähnt, keine gleitenden Metallflächen vorhanden sind. Daraus ergeben sich auch besondere Vorteile bei der Messung von trockenen Gasen unter hohen Drücken, ein Gebiet, das in neueren Forschungen zusehend an Bedeutung gewinnt. Ale Material für den Kugelkörper 32 eignet eich der übliche Kugellageretahl, für besondere Fälle können auch Körper aus keramischen Werkstoffen oder Kristallen hergestellt werden. Die Bohrung 31 ist üblicherweise aus einem speziell gehärteten Material mit geschliffener und gehonter Oberfläche.

In Figur 4 ist eine Variante des kugelförmigen Dichtkolbens dargestellt, bei welcher der Kugelkörper 41 auf den Durchmesser D angeschliffener wird. Der Auflagewinkel*6des Dichtringes 42 wird nach empirischen Versuchen bestimmt. Er kann zwischen 180° und 90° variieren. Je nach Ausbildung des Winkels oC wird eine mehr oder weniger starke Zentrierung dee KugelkOrpere 41 durch den Dichtring 42 erzielt. Gleichzeitig kann mit dieser Massnahme

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auch die Deformation des Dichtringes 42 bei sehr hohen Drücken in gewünschten Grenzen gehalten werden, ohne dass Gefahr besteht, dass der Dichtring durch den Rings palt zwischen Kugelkörper und Bohrung gepresst wird. Anstelle eines Anschliffe kann auch eine Nute eingestochen werden, wie gestrichelt angedeutet. Damit ist eine automatische Sicherung des Dichtringes 42 möglich. Ein Verdrehen de· Kugelkörpers 41 findet auch während der Montage nicht statt, da der Dichtring 42 so ausgewählt wird, dass er schon im Ruhezustand gegen die Bohrungewand 43 Druck ausübt, während dem der Kugelkörper 41 in seinem Meridianpunkt 44 ein bestimmtes Spiel gegenüber der Bohrung 43 aufweist. Dadurch entsteht bei der Montage eine automatische Orientierung des Kugelkörpers 41 in dem Sinn, dass der Kugelmeridian 45 genau rechtwinklig zur Bohrungsachse 46 zu liegen kommt. Durch die Zentrier wirkung des Dichtringes 42 ist auch eine spätere Verdrehung des KugelkCrpers 41 unter Einfluss des Druckes ρ nicht möglich.

In Fig. 5 ist ein Anwendung des erfindungsgemässen Druckwandlers in Form er tier elektronischen Prüfwaage gezeigt. Mit einer solchen Prüfwaage können sowohl Manometer als auch Druckaufnehmer , und auf Druck zu eichende Kontrollgeräte, geprüft werden. Da« Gerät wird für den Prüfvorganf unter eine gewöhnliche mechanische Presse gestellt, wobei der Pressenstempel auf den Verdrängerkolben 72 drückt und dabei den Weg "»" zurücklegt. Der Verdrängerkolben 72, passend eingebaut in der Büchse 73, verdrängt das Druckmedium im Verdrängerraum 74, von wo es über ein Verteüstück 75 sowohl dem au prüfenden Druckauf cehmftr 76 al« auch dem Druckwandlerelement 77 zugeleitet wird. Das Druckwandlerelement 77 überträgt die um-

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gesetzte Kraft P auf das Uebertragungastück 78. Dieses ist mit dem ringförmig ausgebildeten Kraftmesselement 79 unter Vorspannung kraftschlüssig mit dem Endstück 80 verbunden. Die Vorspannung wird durch Schraube 81 erreicht. Durch diese Vorspannung werden alle geläppten Oberflächen der drei Teile 78» 79 und 80 innig in Kontakt gebracht, so dass keine Spaltfederung auftritt, welche zusätzliche Deformation erbringt. Das Endstück 80 ist mit den Schrauben 82 kraftschlüssig mit dem Körper 83 verbunden. Der gm

Körper 83 seinerseits ruht auf dem Abstützring 84. Für den Fall, dass Druckmedium aus dem Druckraum 74 ausflieset, wenn ein anderer Messkörper an Stelle von Messwertaufnehmer 76 eingebaut wird, kann mit dem Nachfüllnippel 85 neues Druckmedium eingepresst werden, wodurch der Verdrängerkolben 72 in seine obere Ausgangelage zurückgedrückt wird, worauf der Druckvorgang von neuem durchgeführt wird, Ueblicherweise wird der elektrische Ausgang des Kraftmessrings 70 via notwendige Verstärker auf die χ-Achse eines Zweikoordinatenschreibers gegeben und der Ausgang des Druckaufnehmers 76 entsprechend auf die y-Koordinate des erwähnten Schreibers geleitet. Das Gerät ergibt somit eine sehr einfach zu bedienende und präzise Prüfvorrichtung, die rasche Kalibrierung von Druckaufnehmern und ähnlichen Kontrollgeräten gestattet. Ee ist aber auch möglich, mit dem Gerät punktweise Auav/ertungen durchzuführen» wie dies mit den althergebrachten gewichtbe-"asteten Kontrollwaagen der Fall ist.

Die Erfindung eröffnet somit ganz neue Möglichkeiten auf dem Gebiete der Hochdruckmeusung. Durch die Verwendung des kugelförmigen Druckwandlerulementa, das eich uuf einem harten plan bearbeiteten Kraftüberh agimgßetück

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βο einstellen kamt, daee sich durch die keiiiorniige Ausbildung des Dicht ringes unter Druck eine automatische Zentrierung des kugelförmigen Wand · lerelementes ergibt. Dadurch wird jede mechanische Berührung mit der Bohrungswand vermieden, wodurch eine zusätzliche Schmierung unnötig wird; gleichseitig kann dadurch auch keine Reibung entstehen und somit auch keine Hysteresefehler.

Die Erfindung bringt damit eine bedeutende technische Vereinfachung und Verbesserung auf dem Gebiet der Messung hoher Drücke von Gasen und Flüssigkeiten.

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Claims (4)

- 11 Patentansprüche

1. Druckwandler zur Umsetzung dee von einem Druckmedium erzeugten Druckes in eine mechanische Kraft, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwandlerclement aus einem kugelförmigen Kolben (32) besteht, der mittels einem elastiechen Dichtring (34) in der Messbohrung (31) durch den Mediumdruck ρ zentriert wird und durch eine ebene harte Fläche dee Druckübertragungsstttckes (33) seitlich frei beweglich abgestützt wird.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kugelförmige Druckwandlerelement (32) so in der Meesbohrung (31) eingepasst ist, dass auch bei Deformation desselben unter hoher Druckeinwirkung keine metallische Berührung mit der Messbohrung (31) entsteht und andererseits auch kein Durchpressen des Dichtrings (34) infolge su gross em Spiel auftritt.

3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kugelförmige Druckwandlerelement (26) mit einer KraftObertragunsplatte (30) und einem elektrischen Kraftmesselement (31) so in Serie geschaltet ist, dass die axiale Bewegung des Druckwandlerelemente (26) für den vollen Messbereich nur wenige um beträgt.

4. Druckwandler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kugelförmige Druckkolben (41) so angeschliffen ist, dass eine unter einem Winkel Jy bestehende Druckeinwirkung eine automatische Zentrierung des Druckwandlerelementes mit sich bringt.

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δ. Prüfgerät zur Kalibrierung von Druckaufnehmern und Manometern, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verdr&ngerräuni ein Druclcmedium durch Bewegung eines Verdrängerkolbens (72) kontinuierlich unter steigenden oder fallenden Druck gesetzt werden kann, wobei dieser Druck sowohl dem zu prüfenden Messwertaufnehmer (76) als auch einem Druckwandler nach Patentanspruch 1, 2,3 und 4 auegeßetzt wird, wobei dieser Druckwandler die umgesetzte Kraft P über ein Druckübertragungsetück (73) einer ringförmigen unter Vorspannung atehenden Kraftznesszelle (79) überträgt und via Gegenstück (30) mit dem Gehäuse (83) kurzschliesst.

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