DE1808354C3 - Pneumatisches Meßgerät - Google Patents

Description

zwischen den Druckräumen zu bewirken, welcher für die Betätigung einer differentialdruckempfindlichen

Die Erfindung bezieht sich auf ein pneumatisches Anzeigevorrichtung bestimmt ist. Jeder Druckraum Meßgerät mit zwei durch eine auf eine Anzeigevor- 30 besitzt zu diesem Zweck eine in Abhängigkeit des richtung einwirkende Membran getrennten und mit Druckes bewegliche Fläche, die am Ende eines Druckluft gespeisten Kammern, von denen wenigstens waagebalkenartig gelagerten Hebels angelenkt ist, der die eine Kammer mit einer Messungen dienenden einen Zeiger betätigt. Der Hebel steuert gleichzeitig Austrittsöffnung und die andere Kammer mit einer ein Ventil, mit dem der Querschnitt einer weiteren in die Atmosphäre mündenden Austrittsöffnung ver- 35 Austrittsöffnung im anderen Druckraum derart versehen ist, deren Querschnitt durch eine mit der Mem- ändert wird, daß ein bereits bestehender Druckunterbran verbundene Kegelspitze änderbar isi. schied zwischen den Druckräumen, der zu einem

Derartige pneumatische Meßgeräte sind an sich Schwenken des Hebels führt, noch gesteigert wird, bekannt. Bei einer bekannten Ausführungsform so daß bereits kleine Druckunterschiede in den bei-(DT-PS 1 027 414) werden alle Meßwerte durch die 40 den Druckräumen zu großen Zeigerausschlägen fühjjeweilige Stellung einer Membran angezeigt, die sich ren. Die bekannte Einrichtung weist somit zwar eine bei einem Ausgleich der zu beiden Seiten der Mem- hohe Empfindlichkeit, jedoch einen entsprechend verbran herrschenden Drücke ergibt. Wenn z. B. der kleinerten Meßbereich auf.

Meßdruck in der mit einer Messungen dienenden Bei einem anderen bekannten pneumatischen Meß-

Austrittsöffnung versehenen einen Kammer durch 45 gerät (CH-PS 341 319) soll der jeweilige Abstand (eine Vergrößerung des Abstandes zwischen einer einer Meßdüse von einer Oberfläche in Form der Meßdüse und der Oberfläche eines Meßobjekts ab- Differenz der Flüssigkeitsspiegel in einem U-förmigen nimmt, so drückt der in der anderen Kammer herr- Röhrensystem angezeigt werden. Auf die beiden sehende Druck die Membran so lange in die eine Flüssigkeitsspiegel wirken dabei unterschiedliche Kammer hinein, bis die zu beiden Seiten der Mem- 50 Drücke ein. Um eine verstärkte Druckdifferenz zu bran herrschenden Drücke durch eine Verminderung erhalten, ist bei diesem bekannten Meßgerät eine des Druckes in der anderen Kammer ausgeglichen zusätzliche Düse vorgesehen, die über eine gedrosselte sind und sich die Membran somit in einer den jewei- öffnung mit dem einen Schenkel des U-förmigen ligen Meßwert anzeigenden Gleichgewichtslage be- Röhrensystems in Verbindung steht. Mit Hilfe eines findet. Eine der jeweiligen Druckabnahme in der 55 waagebalkenartig gelagerten Hebels, auf dessen einen Kammer angepaßte Druckverminderung in der Enden zwei Druckkörper einwirken, wird die zusätzanderen Kammer wird bei dieser bekannten Einrich- liehe Düse entsprechend dem Abstand der Meßdüse tung mit Hilfe der Kegelspitze erreicht, die beim von der Oberfläche mehr oder weniger geöffnet. Die Bewegen der Membran den Querschnitt einer in die beiden Druckkörper sind über gedrosselte Eintritts-Atmosphäre mündenden Austrittsöffnung der anderen 60 öffnungen an eine gemeinsame Druckleitung ange-Kammer verändert. Hierdurch soll erreicht werden, schlossen, deren eines Ende dann mit einer Druckdaß verhältnismäßig große Meßwertunterschiede bzw quelle verbunden ist und deren anderes Ende die Druckdifferenzen in den beiden Kammern durch Meßdüse aufweist. Durch die Verwendung einer kleine Bewegungen der Membran angezeigt werden. Flüssigkeitssäule zur Anzeige ist dieses bekannte Bei gleicher Druckdifferenz in den beiden Kammern 65 Meßgerät in der Praxis kaum verwendbar,
ist die Bewegung der Membran um so kleiner, je Es ist weiterhin ein Oberflächen- und Längenmeß-

stumpfer die Kegelspitze ausgebildet ist. Da jedoch gerät bekannt (DT-PS 845 567), bei dem eine Nadel die durch die Austrittsöffnung ausströmende Luft- zum Abtasten des Meßobjektes dient. Die Nadel ist

mit zwei Ventilkegel versehen und gegenüber den zuefhörigen Ventilen derart verschiebbar, daß beim Verschieben der Nadel der eine Ventilkegel das zuhörige Ventil schließt und der andere Ventilkegel das zugehörige Ventil öffnet. Der Ausgang der beiden Ventile ist jeweils mit der Atmosphäre verbunden, während die Eingänge der Ventile an je eine Druckleitung angeschlossen sind, die über gedrosselte Eineänee mit iiner gemeinsamen Druckquelle verbunden sind Zwischen den beiden Druckleitungen liegi • differentialdruckempfindliches Anzeigeinstrument, dessen angezeigter Wert somit von der Stellung der Nadel an der Oberfläche des Meßobjektes bzw. von nlr Stellung der Ventilkegel an der Nadel abhängt. Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen bekannt-n Meßgeräten wird somit die Ventilanordnung hier nicht durch unterschiedliche Druckverhältnisse gesteuert sondern dient zur Erzeugung unterschiedlirher Druckverhältnisse in den angeschlossenen H-kle^;tungen um über diese das Meßergebnis auf

Anzeigevorrichtung zu übertragen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, hei einem pneumatischen Meßgerät der eingangs ge- «nilderten Art den Meßbereich zu erhöhen und dabei eleichzeitig eine proportionale Auslenkung der KeTelspitzen und Veränderung der Querschnitte der rHrehörieen in die Atmosphäre mündenden öffnuneef sicherzustellen sowie für einen günstigen Verbrauch an Druckluft und eine einwandfreie Arbeits-

^WCZur Lösung dieser Aufgabe ist ein pneumatisches Meßeerät der in Rede stehenden Art erfindungsgemäß ϊο a&baut daß die die als Meßkanal dienende Aus-SÄung aufweisende Kammer mit einer zweiten η d e Mmosnhäre mündenden Austrittsöffnung versehen ist deren Querschnitt durch eine ebenfalls mit S Membran verbundene und dieselbe Form und Große wie die erste Kegelspitze aufweisende zweite SelsnTtze in einem zur Querschnittsänderung der £ anderen Kammer zugeordneten Austrittsöffnung der an««ren *^a™^m änderbar ist

¹¹¹¹SSu¹ ÄSÄr Weise erreicht, daß der Meßdruck in der einen Kammer, die die als Meßkanal dienende Austrittsöffnung aufweist, zusätzlich S AbSgttit von der Memoranbewegung so geändert wird daß der Meßdruck in dieser Kammer in Sem Maße zu- bzw. abnimmt wie der Druck in der anderen Kammer. Dadurch werden die Druck-Die in F i g. 1 schematisch dargestellte pneumatische Mikrometer-Meßlehre weist zwei Kanäle 1, 2 auf, die in Parallelschaltung von ein und derselben Druckgasquelle 3 über zwei gleiche kalibrierte Emgangsöfinungen 4 bzw. S versorgt werden. Der eine der Kanäle 1, im Beispiel als Steuerkanal bezeichnet, hat eine erste, in die Atmosphäre mündende Austrittsöffnung 6, in der eine Kegelspitze 7 montiert ist, die in dieser öffnung in axialer Richtung beweglich ist, so daß sie den wirksamen Querschnitt dieser Oflnung verändert, und die mit einer Membran 9 fest verbunden ist, welche dicht und sehr weich ist, derart, daß sie sich ohne Gegenkraft in einer Dose 8 verformen kann und dadurch in deren Innerem zwei abgeteilte Räume %A und 8 B bildet, die an die beiden Kanäle 1 bzw. 2 angeschlossen sind.

Der andere Kanal 2, im Beispiel als Meßkanal bezeichnet, ist mit einer über eine Meßduse in die Atmosphäre mündenden Austrittsöffnung 11 versehen, während der Steuerkanal 1 eine weitere in die Atmosphäre mündende Austrittsöffnung 10 aufweist. Für bestimmte Anwendungsfalle hat die Austnttsöffnung 10 des Steuerkanals 1 einen konstanten Querschnitt, und es wird lediglich eine einzige Meßoffnung verwendet, nämlich die Öffnung 11 des Kanals i.in anderen Anwendungsfällen, nämlich bei Different.almessungen, auf die später noch einzugehen ist, sind die beiden Austrittsöffnungen 10 und 11 des Meß- und des Steuerkanals mit öffnungen zum Messen des Abstandes einer Fläche verbunden. Der Meßkanal 2 ist übrigens im allgemeinen mit mindestens einer in die Atmosphäre gehenden weiteren öffnung 1β versehen. In jedem Falle wird das Metergebnis an dem Mikrometer M abgelesen, das mit der Kegelsp.tze 7 verbunden ist, welche von der Membran unter der Wirkung des d.fferentiellen Druckes, dem sie ausgesetzt ist, ausgelenkt wird bevor sie '^Gleichgewichtslage, bei der die Drucke . t«den beiden Ka^ nälen einander gleich sind, erreicht hat, d.h., die Summe der Querschnitte der in die: Atmosphäre mundenden öffnungen ist für die beiden Kanäle gleich, da die beiden J.ngangsdüsen 4 und 5 identisch sind Es soll nun gezeigt werden daß das Gerat fur eine bestimmte Anwendung «nen begrenzten Meßbere«* hat, der nicht über ein gegebenes Maximum hinaus erweitert werden kann.

Hierzu sollen zwei Beispiele Jenen von denen sich das erste auf die Messung der Konizität einer

Nun sei mit d₀ der Durchmesser des Querschnitts der Kegelspitze 7 in der Ebene der öffnung 6, wenn sich die Membran 9 in ihrer Mittellage befindet, bezeichnet. Der Halbwinkel am Ende der Kegelspitze 7 sei a, und die Auslenkung der Kegelspitze parallel zu ihrer Achse sei χ (in positivem Sinne gezählt und bei zunehmendem Ringquerschnitt 6 von der Mittellage der Membran aus gesehen). Für eine gegebene Lage der Kegelspitze, die durch einen bestimmten Wert von χ definiert ist, ist die Fläche des Ringquerschnitts 6:

- K - ^2xt8«)²\ = So + nd_oxtga (l -

Mit Zj₁ und A₂ seien die Abstände der Öffnungen Gleichgewicht ist, sind die Gesamtquerschnitte dei

13 und 14 von den Wandungen 17 und mit Zi₁' und Austrittsöffnungen der beiden Zweige gleich, und e?

A₂' die Abstände der öffnungen 15 und 16 von den ergibt sich:

Wandungen 17 bezeichnet. Wenn die Membran im

S₀ + 7id₀xtga (1 _ ^i? ) + JId(A₁ + A₂) = nd (A₁' + Zi₂') + ^s„ \ d₀ j

Das heißt:

^xtS^a

j ^xtS^a

d_oxtga —— =d [(A₁' + A,') - (Zi₁ + A.)
"0

Wird der Durchmesser der konischen Bohrung 17 in Höhe der Öffnungen 13 und 14 mit D und der Durchmesser der konischen Bohrung 17 in Höhe der öffnungen 15 und 16 mit D' bezeichnet, so ist leicht ersichtlich, daß

Daraus folgt:

(A₁' + A₂') - (A₁ + A₂) = D' - D + D₁ - D₁

wird, wobei D₁ und D₁' die Durchmesser des Meß Stopfens Γ1 in Höhe der öffnungen 13 und 14 einer seits und 15 und 16 andererseits sind.

} d_atga (D'-D+ D₁- D₁)

Dieser Ausdruck gestattet die Feststellung, daß die Auslenkung der Kegelspitze 7 nur dann den Veränderungen von (D'-D) proportional ist, wenn die

Bedingung --§^- gegenüber eins vernachlässigbar

klein ist.

Nun sind aber die zeitweiligen Verformungen der Membran aus ihrer Mittellage heraus zwangläung begrenzt, denn in dieser Membran dürfen keine Spannungen entstehen, da sie in jeder Lage geschmeidig und biegsam sein muß. Daher sind die Werte für χ begrenzt auf ±x₀, wobei x₀ die Hälfte der zulässigen Auslenkung der Membran ist. In den so definierten Grenzen für χ muß, sofern χ den Veränderungen (D'-D) mit einer Annäherung proportional sein soll, die einen maximalen relativen Fehler von z. B. ¹AoO

ergibt,

p Vioo sein.

Somit ist fÜT gegebene Werte von X₀ und d₀ der

gegeben

maximale Wert a, bei dem tga₀ = _i7i~

IUU ■

und wenn dieser Maximalwert des Winkels α der Kegelspitze angenommen wird, ist die Amplitude der meßbaren Veränderungen von (D'-D), die mit

d *

»Meßbereich« bezeichnet wird, ± ,„£·-..

100 ■ α

Damit ist aber für einen vorgegebenen Anwendungsfall der minimale Wert für d gegeben und auch der maximale Wert für d_B, und folglich ist auch der maximale Wert für den Meßbereich festgelegt.

Tatsächlich dürfen die Werte für A₁. A„ A,'. h.,' den Wert d/\Q nicht überschreiten, damit der Durchsatz einer öffnung dem Abstand von der ihr gegen-

überliegenden Fläche proportional ist; diese Bedingung ist unerläßlich, wenn das Maß (D'-D) nichi von der Lage der konischen Bohrung 17 im Meß Vorgang abhängen soll. Der minimale Wert von d isi also gleich dem zehnfachen der Toleranz der Durch-

messer D und D'.

Wenn der Durchmesser d so gewählt ist und di£ Werte für A₁, A₂, A₁', A₂' durch die Toleranzen dei Durchmesser D und D' gegeben sind, verändert sich der Gesamtaustrittsquerschnitt der Öffnungen 13 und

14 einerseits und der öffnungen 15 und 16 andererseits des Meßorgangs in definierten Grenzen. Zur Erzielung des geringstmöglichen Verbrauchs des Gerätes an Druckluft muß sich der Ringquerschnitt dei öffnung 6 in den gleichen Grenzen verändern. Nur

ist aber dieser Querschnitt praktisch gleich dem Pro dukt aus der Länge des Kreisumfangs mit dem Durch messer d₀ und dem Abstand e der Ränder der Ring öffnung 6 an der Oberfläche der Kegelspitze 7, unc dieser Abstand darf nicht kleiner sein als etw2

10 Mikron, damit der Durchsatz der Ringöffnunj proportional der Auslenkung χ der Kegelspitze ist, se daß der maximale Wert für d₀ vorgegeben und gleich dem Quotienten des minimalen Querschnitts dei Ringöffnung geteilt durch den zulässigen minimalei

Wert für η e ist.

Nun soll der Fall der Messung eines Achsabstande! betrachtet werden. Das Meßorgan ist in F i g. 2 dar gestellt. E-* geht darum, den Abstand / zwischen dei

parallelen Achsen zweier Bohrungen 19 und 20 eines Pleuels 12A zu bestimmen. Hierzu werden zwei Stopfen 21 und 22 verwendet, die fest miteinander verbunden sind und deren parallele Achsen den Abstand /₀ voneinander haben, wobei dieser Abstand nur wenig von / verschieden ist. Die Stopfen 21 und 22 treten in die Bohrungen 19 bzw. 20 ein und besitzen jeweils zwei Meßöffnungen 23, 24 für den Stopfen 21 und 25, 26 für den Stopfen 22. Die öffnungen 23 und 26 sind parallel angeordnet und über die Leitung 10 mit dem Steuerkanal 1 verbunden, und die öffnungen 24 und 25 sind parallel angeordnet und über die Leitung 11 mit dem Meßkanal 2 der Lehre verbunden.

Bezeichnet man mit /I₁ und Zi₂ die Abstände der öffnungen 24 und 25 von den Wandungen der Bohrungen 19 bzw. 20 und mit H₁' und Iu die Abstände der öffnungen 23 und 26 von den Wandungen dieser Bohrungen 19 und 20, so ist leicht ersichtlich, daß

oder wenn die Meßwerte für die Konizität eingesetzt werden:

Es zeigt sich also, daß mit derselben Lehre der Meßbereich für die Veränderungen von Z gleich ist der Hälfte des Meßbereiches für die Konizität.

Die beiden Beispiele zeigen, daß der maximale Meßbereich für eine bestimmte Anwendung vorgegeben ist. Zum Beispiel ist für d₀ = 3 mm und d = 2mm der Meßbereich ±45 Mikron im Falle einer Konizitätsmessung und + 22,5 Mikron im Falle der Messung eines Achsabstandes.

Diese Meßbereiche sind oft für bestimmte Anwendungsfälle nicht ausreichend, und das Ziel der Erfindung ist es, sie zu erweitern und dabei die Bedingungen in bezug auf die Proportionalität, den geringen Druckluftverbrauch und das einwandfreie Arbeiten der Lehre zu erfüllen.

Hierzu wird der Meßkanal 2 mit einer veränderbaren, in die Atmosphäre mündenden Öffnung versehen, die genau die gleichen Eigenschaften aufweist

ίο wie die Steueröffnung 6 des Steuerkanals 1, deren Querschnittsveränderungen aber denen der letztgenannten öffnung 6 entgegengerichtet sind, d. h., daß in der Ringöffnung 18 z. B. eine bewegliche Kegelspitze TA gleichfalls mit der Membran 9 verbunden, jedoch in entgegengesetztem Sinne wie die Kegelspitze 7 gerichtet ist. Im allgemeinen ist die Kegelspitze 7 der Wirkung einer schwachen Rückholfeder unterworfen, so daß die Kegelspitze 7/1 mit einer identischen Rückholfeder zu versehen ist.

ίο Unter diesen Bedingungen gilt, wenn gemäß F i g. 3 mit d_a der mittlere Durchmesser der Kegelspitze 7 bezeichnet wird, d. h. also der Durchmesser ihres Querschnitts in Höhe der Öffnung 6, wenn sie in ihrer Mittellage steht, mit d_t der Durchmesser der Öffnung 6, mit α der Halbwinkel am Kopf der konischen Oberfläche der Kegelspitze, mit χ eine beliebige Auslenkung der Kegelspitze, mit S_m die Summe der Querschnitte der Austrittsöffnungen des Steuerkanals mit Ausnahme der Öffnung 6, und mit S_n,' die Summe der Querschnitte der Austrittsöffnungen des Meßkanals 2, mit Ausnahme der öffnung 18, daß bei Gleichgewicht nach einer gleichzeitigen Auslenkung der beiden Kegelspitzen um die Strecke χ die Summe der Querschnitte der Austrittsöffnungen der beiden Kanäle die gleiche ist, das heißt also:

⁷¹ -4

S_1n = -- [i/,^a - (d₀ + 2xtgaY\ + S_1n . und damit:
S_m' — S„, = 2nd_oxtga.

Es zeigt sich also, daß die Differenz der Querschnitte der öffnungen infolge einer Veränderung der zu messenden Kote der Strecke der gemeinsamen Auslenkung χ der beiden Kegelspitzen 7 und TA proportional ist. wie auch die Konizität der beiden Spitzen sei, vorausgesetzt, daß sie einander gleich sind. Hieraus ergibt sich, daß der Meßbereich nur noch von der gewünschten Empfindlichkeit der Meßlehre begrenzt ist, also von der Empfindlichkeit, die sich gerade im umgekehrten Sinne wie der Meßbereich ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. menge andererseits um so weniger im gleichen VerPatentanspruch: Mitais zu der Bewegung der Kegebptee steht, je

   stumpfer die Kegelspitze ist, ist der Meßbereich des

   Pneumatisches Meßgerät mit zwei durch eine bekannten Meßgerätes von der Größe des noch mög- «uf eine Anzeigevorrichtung einwirkende Mem- 5 liehen Kegelwinkels begrenzt, der einen zu ttnem bran getrennten und mit Druckluft gespeisten übermäßigen Druckluftverbrauch fuhrenden Wert Kammern, von denen wenigstens die eine Kam- nicht übersteigen darf.

   mer mit einer Messungen dienenden Austritts- Bei einem anderen bekannten pneumatischen Meßöffnung und die andere Kammer mit einer in die gerät (DT-PS 973 471) ist die eine Kammer, die die Atmosphäre mündenden Austrittsöffnung ver- io Austrittsöffnung für die Messung aufweist, nut einer •ehen ist, deren Querschnitt durch eine mit der zusätzlichen in die Atmosphäre führenden Austritts-Membran verbundene Kegelspitze änderbar ist, öffnung versehen, deren Querschnitt durch die mit dadurch gekennzeichnet, daß die die der Membran verbundene Kegelspitze geändert wird, als Meßkanal dienende Austrittsöffnung (11) auf- Ansonsten entspricht dieses Meßgerät in seiner Wirweisende Kammer (SB) mit einer zweiten in die 15 kungsweise dem voranstehend beschriebenen bekann-Atnosphäre mündenden Austrittsöffnung (18) ten Meßgerät und besitzt ebenfalls nur einen sehr ¥ersehen ist, deren Querschnitt durch eine eben- begrenzten Meßbereich, der durch den größten, noch falls mit der Membran (9) verbundene und die- möglichen Kegelwinkel begrenzt ist.
   selbe Form und Größe wie die erste Kegelspitze Weiterhin ist eine Regel- und/oder Meßeinrichtung

   (7) aufweisende zweiu. Kegelspitze (7/1) in einem »o mit zwei Druckräumen bekannt (DT-PS 882 627), zur Querschnittsänderung der der anderen Kam- die an ein und dieselbe Druckmittelquelle angeschlosmer (SA) zugeordneten Austrittsöffnung (6) um- sen sind und mit gedrosselten Eintritts- und Austrittsgekehrten Verhältnis änderbar ist. öffnungen versehen sind. Eine Austrittsöffnung an

   dem einen Druckraum ist dabei in Abhängigkeit von »5 einer Meßgröße regelbar, um einen in Abhängigkeit

   von dieser Meßgröße variierenden Druckunterschied