DE1903709C - Druck-Kraft-Meßwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck-Kraft-Meßwandler mit einem auf dem Meßelement aufliegenden, auf der dem Meßelement abgewandten Seite kugelfläfhcnartig ausgebildeten und eine Vorspannung erzeugenden Druckübertragungselement.

Bei einem solchen bekannten Druck-Kraft-Meß· wandler sind das Meßelement und das Druckübertragungsglied innerhalb eines rohrförmigen Gehäuseteiles angeordnet, das an seinem dem zu messenden Druck zugewandten Ende durch eine Membran verschlossen ist, an der das Druckübertragungselement mit seiner kugelflächenartig ausgebildeten Seite an-

liegt '»VDI-Zeitschrift«, 1936, S. 450). Bei diesem bekannten Druck-Kraft-Meßwandler wird zwar das Meßelement gleichmäßig belastet, weil die kugel- - flächenartig ausgebildete Seite des Druckübertragungselementes ein sattes AnHegen des Drucküber-

tragungselementes mit seiner ebenen Fläche an der zugewandten Fläche des Meßelementes zuläßt, jedoch ist bei einer solchen Ausbildung des Druck-Kraft-Meßwandlers die das Gehäuse abschließende Membran einer sehr hohen Belastung ausgesetzt, weil sie nur im Bereich ihrer Mitte das Druckübertragungselement in einem Flächenbereich berührt, dessen Größe von dem auf die Membran ausgeübten Druck und der daraus resultierenden Durchbiegung der Membran abhängig ist. Da außerdem eine geschlossene Membran in Axiajrichtung, also senkrecht zur Membran, nur wenig nachgiebig ist, ist eine solche Membran sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt, die insbesondere dann, wenn ein solcher Druck-Kraft-Meßwandler bei hohen Temperaturen eingesetzt wird.

eine verhältnismäßig geringe Lebensdauer einer solchen Membran zur Folge hat.

Bei einem anderen bekannten Druck-Kraft-Meßwandler dient zur Übertragung der Meßkraft auf das Meßelement ein in einem Gehäuse axial geführter, eingeschliffener Kolben, während sich das Meßelement an der dem Kolben abgewandten Seite an einem halbkugelförmigen Widerlager abstützt, das mit seiner Kugelfläche in einer Kalotte eines ortsfesten Widerlagers liegt (deutsche Patentschrift 1 067 240). Eine solche Anordnung ist wegen der Verwendung eines eingeschliffenen Kolbens als Druckübertragungsglied nicht nur sehr kostspielig, sondern auch wegen des Fehlens einer hermetischen Abdichtung auch für viele Zwecke ungeeignet. So ist dieser bekannte Druck-Kraft-Meßwandler in erster Linie für Druckmessungen in der Innenballistik bestimmt.

Demgegenüber liegt der Er'indung die Aufgabe zugrunde, einen Druck-Kraft-Meßwandler zu schaffen, der sowohl gegenüber der Umwelt einwandfrei abgedichtet ist und zugleich eine höhere Lebensdauer aufweist als die mit einer die Aufnahme für das Druckübertragungselement abschließenden Membran versehenen Druck-Kraft-Meßwandler,

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein einer Ringmembran ähnliches Abdichtorgan auf der kugelflächenartig ausgebildeten Seite des Druckübertragungselementes mit geschlossener, kreislinienförmiger Berührung aufliegt.

Das bei dem erfindungsgemäßen Druck-Kraft-Meßwandler verwendete, einer Ringmembran ähnliche Abdichtorgan hat eine wesentliche bessere Wechselfestigkeit als eine Vollmembran, weil es auch, in der Axialrichtung des Druck-Kraft-Meßwandlers elastisch ist. Dabei gewährleistet das Abdichtorgan sowohl eine einwandfreie Abdichtung des Innenraumes des Druck-Kraft-Meßwandlcrs als auch ein freies Einstellen des Druckübertragungselementes in eine solche Richtung, daß seine ebene Druckfläche

an dem Meßelement völlig gleichmäßig anliegt. Da endlich die zu messende Kraft oder der zu messende Druck im wesentlichen unmittelbar auf das Druckübertragungselement einwirkt, bleiben die eingeleiteten Kräfte dem Abdichtorgan praktisch unbeeinflußt, so daß mit dem erfindungsgemäßen Druck-Kraft-Meßwandler eine besonders hohe Meßgenauigkeit in einem sehr großen Druck- oder Kraftbereich erzielt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsfornj der Erfindung ist die Membran als ringartige, an ihrem äußeren Umfang mit dem Wandlergehäuse verbundene Membran ausgebildet, welche sich mit ihrem inneren Umfang dichtend an den kugelflächenartigen Oberflächenteil des Druckübertragungselementes anlegt. Ferner kann das Druckübertragungselement vorteilhaft halbkugelartig ausgebildet sein, weil sich Halbkugelflächen auf verhältnismäßig einfache Weise mit einer für die vorliegenden Zwecke genügender Genauigkeit herstellen lassen.

Bei dem erfindungsgemäßen Druck-Kraft-Meßwandler können durch die Wahl geeigneter Materialien die halbkugelförmig gestalteten Lager- und Krafiiibertragungselemente den physikalischen Anforderungen der dazwischen eingebauten Meßelemente angepaßt werden. Diese Anpassung erstreckt sich insbesondere auf geeignete Wärmeausdehnungskoeffizienten, auf geeignete elektrische Leitfähigkeit oder Isolationsfähigkeit oder auch auf geeignete Steifigkeit.

Der Gedanke der Erfindung und die Anwendungsmöglichkeiten sind nachstehend an Hand der in Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Querschnitt einen Druckmeßwandler mit halbkugelformigem Druckübertragungselement und Lagerelement und dazwischen befindlichem Druckmeßelement.

F i g. 2 einen Querschnitt durch den druckempfindlichen Teil eines Meßwandlers entsprechend Fig. 1,

F i g. 3 eine den Sitzteil für das Druckübertragungselement bildende Ringmembran für eine kugelförmige Druckübertragungsfläche vor dem Zusammenbau mit dem Meßwandler,

F i g. 4 den druckempfindlichen Teil eines Meßwandlers, bei welchem zwei verschiedene Ums'etzungsverhältnisse von Druck und Kraft dargestellt sind.

F i g. 5 eine Variante eines Meßwandlers, bei welchem die mechanische Vorspannung durch eine dünnwandige Rohrfeder erreicht wird,

F i g. 6 den Zusammenbau eines Wandlergehäuses mit einem als Einbaugruppe ausgebildeten Meßelementteil,

Fig. 7 eine weitere Anwendungsmöglichkeit von halbkugelartigen Druckübcrtragungselementen zusammen mit Sitztcilen in Form von Ringmembranen.

Γη Fig. 1 ist ein Druckmeßwandler dargestellt, bestehend aus dem Meßwandlerkörper 1, der mit Montageflansch 2 und Steckeranschlußgewinde 3 versehen ist. Die Steckerpartie 4 kann je nach eingebautem Meßelement 5 sowohl ein- oder mehrpolig ausgeführt werden. Das Meßelement 5, das als Zylinderkörper mit genau plan bearbeiteten Endflächen 6 besteht, ist zwischen dem halbkugelförmigen Lagerelement 7 und dem ebenfalls halbkugelförmigen Druckübertragungselement8 eingebaut. Zwecks Ableitung der elektrischen Anschlüsse des Meßelementes 5 kann das halbkugelförmige Lagerelement 7 mil einer Bohrung 9 versehen werden. Die Halbkugcloberfläche ίθ im Meßwandlerkörper 1 wird vorteilhafterweise vorerst mechanisch verarbeitet, anschließend durch einen Läpp- oder Kaltpreßvorgang fertiggestellt. Das halbkugelförmige Lagerelement 7 paßt S genau in diese Kalottenfläche 10 und gestattet freie Anpassung der plan gearbeiteten Halbkugelfläche 11. Die halbkugelförmige Druckübertragungsplatte 8 besitzt ebenfalls eine genau plan bearbeitete Fläche 12. Sie wird mit dem als Sitzteil für das Element 8 ausgebildeten Dichtelement 13 unter mechanischer Vorspannung gegen das Meßelement 5 gepreßt. Mittels Schweißung 14 ist das eine ringartige Membran bildende Dichtelement 13 fest mit dem Meßwandlerkörper 1 verbunden.

In F i g. 2 «;t ein Druckmeßwandler gezeigt, wobei insbesondere die Funktion des Dichtelementes 23 veranschaulicht ist. Durch u:o Druckeinwirkung μ auf das den Sitz für das Druckubertragungselement 28 bildende Dichtelement 23 sowie auf das halhkugelförmige Druckübcrtragungselement 28 wird das Meßelement 25 um den Betrag S., komprimiert. Diese Kompression bewirkt eine Querausdehnung .S₁, welche völlig unbehindert erfolgen muß. Die kugelflächenartige Oberfläche 21 des Druckübertragungselements 28 ist hochpoliert und genau kugelförmig. Die auf diese Oberfläche angepreßte Dichtkante 20 hat durch Aufläppen oder Aufpressen auf der Kugeloberfläche genau kreisrunde Form. Sie wird durch die elastische Ausbildung dauernd mit der Kugeloberfläche 21 in Kontakt bleiben. Der durch die Vorspannung erzielte Kontaktdruck wird durch die äußere Druckkraft ρ noch verstärkt, so daß unter allen Betriebsumständen eine einwandfreie Dichtung gewährleistet ist. Dies ist auch der Fall, wenn durch den Meßvorgang eine Lageveränderung S₁ der Kugeloberfläche 21 eintritt. Die Dichtkante 20 gleitet dann in die Position 22. Durch entsprechende Gestaltung des F.Iastizitätsverhaltens des Druckmeßelements 25 wird man versuchen, den durch die Belastung bedingten Einfederungsweg 5, möglichst klein zu halten.

Im Fall von piezoelektrischen Meßelementen kann dieser Weg im Bereich von wenigen [im gehalten werden.

In F i g. 3 ist die dichtende Ringmembran 33 im Zustand vor Montage gezeigt. Die elastische Dichtlippe 34 ist durch Pressen oder Bearbeiter« leicht gebogen gestaltet. Die Dichtkante 35 wird durch bekannte Mittel auf die Kugeloberfläche 36 genau angepaßt.

In Fig. 4 ist wiederum das Meßende eines Druckwandlers gezeigt, bei dem das Übertragungsverhältnis vom Außendruck ρ zu den Innendruckkräften P variiert werden kann durch Wahl eines geeigneten Dichtkantendurchmessers D₁ oder D.,. Wird das

ringmembranartige Dichtalement43 "mit einem Dichtkantendurchmesser D₁ ausgerüstet, so wird der größere Teil der Druckkräfte ρ auf den hohlzyliudrischen Teil4J des Wandlers 41, der kleinere Teil auf das halbkugelförmige Druckübertragungselemeni 48 übertragen. Die halbkugelförmige Form dieses Druckübertragungselementes48 gewährleistet eine gleichmäßige Flächendruckkraft P auf der ganzen Fläche 46 des Druckelementes 45. Durch eine Vergrößerung des Dichtkantendurchmessers auf D₁, ent-

sprechend Element 42, wird der größere Teil der Außenkräl'te ρ auf das Druckübertragungselement 48 geleitet. Man hat auf diese Weise die Möglichkeit, den zu messenden Druckbereich ρ auf einfache Weise

den Möglichkeiten des Meßelemenles 45 anzupas- die beiden Druckmedien zweckmäßig auf die Flächen

sen. Die Auflagefläche 47 ist in diesem Beispiel der Ringmembranen zu leiten sind. Durch die

direkt als Planfläche im Meßwandlerkörper41 an- elastische Aufhängung des symmetrischen Systems

genommen. Diese Ausführungsform kann vorteil- ist der Aufnehmer zugleich beschleunigungskompcn·

haft sein, wenn gewährleistet ist, daß keine Biege- 5 siert. Wirkt nämlich eine Beschleunigung in der

möglichkeiten durch Einspannwirkungen auf die Achsrichtung A, so wirkt die eine Halbkugel

Fläche 47 übertragen werden. Wenn diese Möglich- belastend auf das Meßelemcnt 73, die andere enl-

keil jedoch besieht, wie in F i g. 1 gezeigt, ist die lastend, unter der Voraussetzung, daß die beiden

Isolierung der Auf lagefläche 47 durch ein halbkugel- Teile 75 und 76 gleichwertige elastische Eigenschaf·

förmiges Lagerelement angezeigt. io ten besitzen. Der neue Wandler bietet deshalb inter-

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist ein essante Möglichkeiten, die mit einfachen Mitteln

bekanntes Auflagerelement 51 mit einer planen Auf- erzielt werden können.

lagefläche 52 versehen und in den rohrförmigen Außer den bereits dargestellten Vorteilen, bedingt Teil 53 des Meßwandlers eingebaut. Das Meßelc- durch die geometrische Form der Druckübertramcnt 55 wird über das kugclkaloltenförmig aus- 15 gungselemcnte mit den gegebenenfalls dazugehörengebildctc Drucküberlragungselement 58 und die vcr- den Dichtelementcn, in Form von ringmcmbranartigcspannte Rohrfeder 54 unter mechanische Vorspan· gen Sitztcilen, ergeben sich weitere, ganz erhebliche nung gesetzt. Die kalottenförmige Ausdrehung der Vorteile durch entsprechende Wahl der Materialien Flanschpartie 56 bildet einen Sitz für das Druck- dieser DruckUberlragungsclcmentc. Für viele An-Ubcrtragungselcment 58 und gewährleistet eine 20 wcndungsfälle ist es erwünscht, daß die Meßclemente genaue Parallelität zwischen den Flächen 52 und 57 elektrisch vollständig isoliert vom Meßwandlcrkördcs Druckelements 55. Zur Abdichtung kann eine per eingebaut werden können. Dann eignen sich Membran 59 über die ganze Meßoberfläche des keramische Materialien auf Basis von Aluminium-Wandlers gelegt und mil dem Rohrkörper ver- oxyd vorzüglich, da sie gleichzeitig große mechaschwcißt werden. Es kann aber auch ohne weiteres 15 nische Druckfestigkeit, große Starrheil und einwandein Dichtelement 50 in Form einer Ringmembran, freie Kugelobcrflächen ergeben; auch Saphir und welche mit einer Dichtkante auf der Kugelfläche Rubin können in Betracht gezogen werden. In Anabdichtet, verwendet werden. wendungsfallen, wo besonders hohe Anforderungen In F i g. 6 ist der Montagevorgang der fertig mon- an die Wärmeisolation der Meßwertelcmentc gestellt licrlen Meßeinheit 60 in das offenen Meßwand lcr- 30 werden, können die Druck übertragungselemente aus ende 61 dargestellt. Im gezeigten Beispiel sind die Quarzglas oder anderen Glasarten hergestellt wer· elektrischen Verbindungen des Meßelementes 65 auf den. In diesen Fällen weisen sie gleichzeitig auch der Mantelfläche herausgeführt und in meridian- gute elektrische Isoliereigenschaften auf. Werden an förmig eingelassenen Nuten 62 des halbkugelförmi- die Elemente zusätzlich noch Anforderungen bctrefgen Lagerelementes 66 eingelassen. Sofern das Lager- 35 fend linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten element 66 aus einem nicht leitenden Material be- gestellt, wie dies z. B. bei Verwendung von piezostchl, können die Verbindungsleitungen 63 mittels elektrischen Elementen wünschbar ist, so ist es mög-Leitsilbcr oder anderen aufgedampften Leitmetallen lieh, die Druckübertragungselementc direkt aus auf die Anschlußflächc 64 übertragen werden. Von piezoelektrischem Material herzustellen. Wenn notdicser Anschlußfläche werden die Verbindungen mit 40 wendig, werden die Oberflächen solcher piezoelekdem Aufpreßstecker 69 in die Kabelverbindung 68 irischer Elemente metallisiert, so daß bei Krafteingeleitet. Alle diese Teile werden vormontiert, wobei wirkung keine Ladungen abgeführt werden. In Fäldic Druckübertragungselemcnte mit dem Meßelement len, wo großer Wert auf Schlagfestigkeit gelegt wird, vo tcilliafl verlötet oder mit anderen Mitteln verbun- z.B. bei Beschlcunigungsmessungen. können ^ ic den sind. Die Einheit wird nun in das offene Ende 45 Druckäberlragungselemenle aus gehärtetem Stahl des Wandlerkörpers 61 eingeschoben, worauf das oder Hartmetall hergestellt werden. In besonderen einen Satz für das Drucküberiragungselemenl bil- Fallen können diese Elemente auch aus Kunststoff dcndc Dichtclement 67 unter Vorspannung mit dem fen oder natürlichen Gesteinsarten hergestellt werrohrförmigen Ende des Wandlers 61 verschweißt den.

wird. 50 Die Erfindung eröffnet somit neue Möglichkeiten I£in weiteres Ausführungsbeispiel ist in F i g. 7 int Bau von Meßwandlern. Sie ist unabhängig von gezeigt und betrifft ein Kugeldruckmeßelemenl. Mit der Art des verwendeten Wandlercletncnles und diesem Meßwandlcr können sowohl Kräfte als auch läßt sich für Druck-, Kraft- und Beschleunigungs-Drucke direkt gemessen werden. Der Wandler be- mcßwandler einsetzen. Die Eigenschaften der Druck -steht aus den beiden symmetrischen, halbkugclför- 55 '"'bertragungsclemcnte gewährleisten eine selbstausmigcn Druckühcrtragungsclementen 71 und 72. dem gleichende Lageanpassung der Mcßelcmenlkontakt-Drmkmcßclcnicnl 73. dem ringförmigen Wandler- auflagcflächcn und im Zusammenhang mit den vorkörpcr 74 und den beiden symmetrisch angeordneten geschlagenen ringmembranartigen Sitztcilcn eine vollringmembranartigcn Sitztcilen 75 und 76 für die ständige Abdichtung auch unter sehr schweren Druckübertragungselemcnte. welche mit ihren Dicht- ^6o Bctricbsumständen. Die Loslnsung von hnchgenauen lippen die Meßeinheit unter mechanische Vorspan· plan bearbeiteten Auflageflächcn aus dem Wandlernung setzen. Die Signalabführung 77 wird seitlich körper ermöglicht die Bearbeitung der Mächen auf durch das Wandlergchäuse 74 durchgeführt. Sie optischen Bearbeitungsmaschinen, wodurch ei π wandkonnte aber auch in der Axialrichiung durch eine freie Planhcit erreicht wird. Durch entsprechende der beiden linlhkiigcllörmigcn l.lcmenlc 71. 72 65 Gestaltung der Dichtclemcnlc kann das Moßelcmcnt «hirtlijjcf iilirl werden. Der auf diese Weise ent- auf einfache Weise den verschiedenen Anforderungen Mottende Druckwandler kann ohne weilcres auch angepaßt werden, indem dtr Druckübcrsct/iinpsprad fur DiffcTen/ihitiknieNsiinj! eingesetzt werden, wobei in weiten Grenzen variiert werden kann. Die Iren-

nung der Auflageelcmcntc vom Meßwertwandler ei möglicht es, daß die eingebauten Druckelementc in bezug auf physikalische äußere Einflüsse günstige Einbau Verhältnisse bekommen durch die Wahl ent

Wahl geeigneter Materialien der Lager- und Druckübertragungselemente dazu beigetragen werden, daC die Mcßelcmenle mit geringer Verbiegung plan parallel belastet werden und daß Temperatur

sprechender Materialien. Insbesondere kann durch 5 gradienten weitgehend reduziert werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

J09639/

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Druck-Kraft-Meßwandler mit einem auf dem Meßelement aufliegenden, auf der dem Meßelement abgewandten Seite kugelflächenartig ausgebildeten und eine Vorspannung erzeugenden Druckübertragungselement, dadurch ge-.kennzeichnet, daß ein einer Ringmembran ähnliches Abdichtorgan (13,23,33,43,50,67) auf der kugelflächenartig ausgebildeten Seite (21) des Druckübertragungselementes (8,28,48,58) mit geschlossener, kreislinienförmiger Berührung aufliegt.

2. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzevhnet, daß die Membran (23) als ringartige, an ihrem äußeren Umfang mit dem Wandlergehäuse verbundene Membran ausgebildet ist, welche sich mit ihrem inneren Umfang dichtend an den kugelflächenartigen Oberflächenteil (21) des Druckübertragungselementes (28) anlegt.

3. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungselement (8,28) halbkugelartig ausgebildet ist.

4. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich d. , Meßelement (73) zwischen zwei halbkug~lförmigen Druckübertragungselementen (71 und 72) tviindet, welche durch je eine ringartige Membran (75 bzw. 76) gegeneinander vorgespannt sind.

5. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine rohrförmige Feder (54) zur Erzielung einer Vorspannung des halbkugelartig ausgebildeten Druckübertragungselementes (58) vorgesehen ist, daß die Membran eine kreislinienförmige, kraftschlüssige Berührung mit dem kugelartig ausgebildeten Teil des Druckübertragungselementes (58) aufweist und die Frontseite des Druckübertragungselementes mit einer elastischen Dichtmembran (59) abgeschlossen ist.

6. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Meßelement (45) und das Druckübei tragungselement (48) aufnehmender hohlzylindrischer Wandteil (44) des Wandlergehäuses (41) so ausgebildet ist, daß je nach Wahl der axialen Erstreckung des Wandteiles am Wandlergehäuse Ringmembranen (42 und 43) mit unterschiedlichem Innendurchmesser (D₁ bzw. D₂) befestigt werden können.

7. Druck-Kraft-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein halbkugelartiges Lagerelement (66), ein Meßelement (65) und ein Druckübertragungselement zusammen mit dem Meßelement zugeordneten elektrischen Kontakten und Leitern als bauliche Einheit (60) ausgebildet sind, die als Ganzes in ein Wandlergehäuse (61) einbaubar ist, und daß die elektrischen Leiter in meridianförmig angebrachten Nuten (62) des Lagcrelementes (66) angeordnet sind.