DE19521381C2

DE19521381C2 - Volumenstrommeßgerät

Info

Publication number: DE19521381C2
Application number: DE1995121381
Authority: DE
Original assignee: Hydrotechnik GmbH
Current assignee: Hydrotechnik GmbH
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2015-06-13
Also published as: DE19521381A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumenstrommeßgerät für Hydraulik systeme mit hohen dynamischen Drucken zur Erfassung von Volumendurchflüssen, mit einer im Strömungskanal eines Meßgehäuses angeordneten Biegezunge als Meßwertgeber, auf der sich ein Biegemeßstreifen befindet.

Einrichtungen zur Messung der Durchflußmengen von Flüssigkeiten oder Gasen in Strömungskanälen, welche nach den unterschied lichsten physikalischen Prinzipien arbeiten, sind seit langem bekannt. Die einfachsten Geräte dieser Art bestehen aus einer Blende in einem Meßrohr, wobei vor und hinter der Blende je weils der Druck gemessen wird. Die sich ergebende und gemessene Druckdifferenz läßt den Schluß auf die durchfließende Menge zu. Bei dieser an sich einfach aufgebauten Meßvorrichtung ist jedoch die gleichzeitige Messung von zwei Drucken erforderlich, aus denen die Differenz zu bilden ist.

Die gezielte Einschnürung einer Strömung mit Hilfe eines Venturirohres wird, in ähnlicher Weise wie bei einer Blende, zur Erzeugung einer Druckdifferenz verwendet. Der Meßbereich einer solchen Vorrichtung ist relativ gering, wobei auch hier zwei Drucke zu messen sind.

Eine weitere Gruppe von Volumenmeßeinrichtungen arbeitet nach dem Prinzip einer Turbine. Die durch die Strömung bewirkte Drehzahl ihrer Schaufeln ist ein Maß für den zu messenden Volumenstrom. Während die zuvor genannten Meßgeräte praktisch keinem Verschleiß unterworfen sind, ist, bedingt durch die sich drehenden Elemente einer Turbine, der Verschleiß relativ groß. Der Aufwand zur Herstellung einer solchen Meßturbine ist sehr hoch, ihre Eichung, die in gewissen Abständen zu wiederholen ist, ist aufwendig, und ihr Meßbereich ist relativ klein.

Aus der DE 30 44 219 A1 ist eine Einrichtung zum Messen von Durchflußmengen fluidischer Stoffe bekannt, bei der ein Meßwertgeber einen unter Strömungsbedingungen elastisch verform baren Meßkörper aufweist, der in seiner Verformungszone einen oder mehrere Dehnungsmeßstreifen trägt, deren Widerstands änderungen in Abhängigkeit von Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge als Meßsignal für die Auswerteeinrichtung dienen.

Eine weitere Einrichtung zum Messen von Durchflußmengen geht aus der DD 270 758 hervor, bei der eine Biegezunge mit Dehn meßstreifen versehen ist, welche quer zur Strömungsrichtung des Fluids drehbar ausgebildet ist.

In beiden Fällen sind die Dehnmeßstreifen auf dem verformbaren Meßwertgeber aufgeklebt und für die Durchführung der elek trischen Leiter vom Druckraum des Systems zur Außenraum mit Atmosphärendruck müssen besondere Vorkehrungen getroffen, wie beispielsweise Glasdurchführungen. Die Dehnmeßstreifen sind dem vollen Aufprall des Fluids ausgesetzt und damit sowohl dem mechanischen als auch dem chemischen Einfluß unterworfen. Eine kritischen Durchführung der elektrischen Leiter vom Druck- zum Atmosphärenraum begrenzt den Einsatz der Meßvorrichtung.

Aus der JP 06299793 A ist ferner eine Volumenmeßeinrichtung bekannt, welche mit einer elastischen Lochblende ausgerüstet ist, die zur Messung der Verformung der Lochblende Dehnungsmeß streifen aufweist, welche im Srömungsmeßkanal auf der Blende angeordnet sind. In einer Vorrichtung zur Umformung der auf ge nommenen Werte der Dehnungsmeßstreifen werden die Volumenwerte ermittelt. Die Lochblende bewirkt zwar eine Druckdifferenz, ermittelt wird jedoch nur die Dehnung der Blende. Eine solche Meßvorrichtung hat nur einen geringen Meßbereich.

Aus der DD 287 094 A5 ist ein Durchflußsenor mit Druckelement bekannt, welcher ein zylinderförmiges Gehäuse aufweist und mit einer als Düse ausgebildeten Blende ausgerüstet ist. Im Ausströmbereich der Düse befindet sich ein Prallplätchen, dessen Auslenkung gemessen wird. Die Einsatzmöglichkeit ist auf die Messung sehr kleiner Volumenströme begrenzt.

Die DE 28 31 938 C2 zeigt einen Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen in Verbindung stehen. In einer Aus führungsform ist der piezoelektrische Meßwertaufnehmer als Strömungsaufnehmer für elektrisch nicht leitende Fluide ausgebildet. Er enthält einen quer zu der Strömungsrichtung über einen Ring gespannten durchlöcherten, piezoelektrischen Film, dessen gegenüberliegende Flächen elektrisch beschichtet sind und durch dessen Öffnungen das Strömungsmittel hindurch fließen kann. Der Film ist durch das Strömungsmittel einer Dehnung unterworfen, die ein Maß für die Strömungsgeschwindig keit des Fluids darstellt. Ein solches Meßgerät ist äußerst empfindlich und daher für hydrauliche Systeme für hohe und höchste Drucke nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßvor richtung zur Volumenstrommessung in einem hydraulischen System für hohe und höchste Drucke vorzuschlagen, welches kompakt aufgebaut ist, einen großen Meßbereich aufweist und mit großer Genauigkeit arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei dem eingangs aufgeführten Volumenstrommeßgerät die Biegezunge integraler Bestandteil eines Meßringes ist, welche in der Ringöffnung der Scheibe symmetrisch angeordnet ist, daß der Meßring sich in einer Passung des Meßgehäuses befindet und daß die in Dünn- bzw. Dickschichtechnik auf der Biegezunge ausgebildete Wi derstandsschaltung einer Meßbrücke mit Temperaturfühler Leitungsführungen ihrer Leiterbahnen aufweist, welche mittels O-Ringdichtungen der Scheibe aus dem druckbeaufschlagten Strömungskanal geführt sind.

Danach besteht der Meßwertgeber, daß heißt die Biegezunge und die Meßscheibe aus einem Stück, wobei normale O-Ringdichtungen diese sicher und einfach abdichten und zwar auch an den Stellen der Durchführung der elektrischen Leiter. Die Meßscheibe weist in der Passung einen sicheren Sitz auf.

Nach der Erfindung ist die Verstärkerschaltung der Meßbrücke auf der Meßscheibe unmittelbar außerhalb des druckbeauf schlagten Strömungskanals angeordnet. Hierdurch ergeben sich kurze Leitungsverbindungen zur Meßzunge und die Meßsignale werden noch in dem Volumenstrommeßgerät verstärkt zur Meßaus wertestation übertragen. Damit wirken sich außerhalb des Systems auftretende Störungen auf die verstärkten Signale nicht oder nur gering aus.

In vorteilhafter Weise ist ein Teil des Brückenarmes der Meß brücke auf der Biegezunge im druckbeaufschlagten Teil der Meßscheibe angeordnet, während sich der übrige Teil der Meß brücke unmittelbar außerhalb des druckbeaufschlagten Teils der Meßscheibe befindet. Damit ist die gesamte Schaltung auf der Meßscheibe angeordnet, jedoch in unterschiedlichen Bereichen, getrennt durch die O-Ringdichtung.

Die Verstärkerschaltung weist vorteilhaft eine Hybrid- oder Asic-Schaltung auf, welche für Linearisierungsfunktionen programmierbar ist.

Die Brückenelemente der Meßbrücke sind vorteilhaft durch eine Schutz-Glasschicht gegen die mechanischen und chemischen Ein wirkungen des Fluids im Meßkanal gesichert, wobei jedoch die Biegefähigkeit der Biegezunge nicht wesentlich beeinflußt wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Meßgehäuse als ein zweiteiliges Schraubgehäuse ausgebildet, wobei die innere Stoß stelle der Schraubteile die Passung zur Aufnahme der Meßscheibe aufweist. Damit wird die Montage der Meßzelle wesentlich ver einfacht und die Meßscheibe erhält einen festen und definierten Sitz.

Die Meßscheibe ist im Meßkanal symmetrisch angeordnet, so daß ein reversibler Meßbetrieb bei gleicher Meßgenauigkeit gewähr leistet ist.

Dem Meßkanal ist ferner eine Prallscheibe vor- und nach geschaltet. Diese Prallscheibe hat die Aufgabe, die Biegezunge vor mechanischer Überlastung zu schützen, wenn im Betrieb hydraulische Stöße durch z. B. schnelle Ventilschaltungen auftreten, die wiederum zu Druckreflexionen führen. Die Reflexionswelle im Strömungskanal wird durch diese Prall scheiben in ihrer Wirkung gebrochen bzw. gedämpft. Die Form der Prallscheibe ist den Ströungsgegebenheiten anzupassen.

Durch die engen Lage- und Formtoleranzen der Meßscheibe mit integrierter Biegezunge und die radial symmetrische Anordnung im Meßgehäuse ist eine einfache Kalibrierung mittels definier ten Gewichtskräften auf die Biegezunge serienmäßig durch zuführen, womit eine kostenaufwendige Naßkalibrierung entfällt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Volumenstrommeßge rät mit Meßleitungsanschluß;

Fig. 2 einen Teilschnitt nach Fig. 1 in Höhe der Biegezunge;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Meßscheibe

a) im Querschnitt und
b) in Draufsicht und

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch den Befestigungs bereich der Meßscheibe.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch das Volumenstrommeß gerät 1 mit seinem Meßleitungsanschluß 2, welcher zu einer nicht dargestellten Auswertestation führt. Das Volumenstrommeß gerät 1 besteht aus zwei Schraub-Gehäuseteilen 3 und 4 zwischen denen die Meßscheibe 5 in der Passung 6 gelagert ist. Die Gehäuseteile 3 und 4 sind jeweils mit einer Prallscheibe 7 und 8 versehen. Die Meßscheibe 5 ist beidseitig durch O-Ringdich tungen 9 und 10 zwischen den Gehäuseteilen 3 und 4 abgedichtet.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt nach Fig. 1 in Höhe der Biegezunge 11, welche integraler Bestandteil der Meßscheibe 5 ist. Der O-Ring 9 teilt die Meßscheibe 5 in einen inneren und einen äußeren Bereich 12 bzw. 13 auf, wie am besten aus Fig. 3b zu entnehmen ist. Der innere Bereich 12, welcher dem druckbeaufschlagten Meßraum zugeordnet ist, enthält auf der Biegezunge 11 im Zentrum einen Temperaturfühler RT und im Bereich des größten Biegegradienten der Biegezunge 11 die Meßbrückenteile R1 und R2. Die Brückenteile R3 und R4 liegen dagegen im Außenbereich 13 der Meßscheibe 5.

Wie aus Fig. 3a ersichtlich ist, weist die Biegezunge 11 an ihrer Verbindung zum inneren Bereich 12 der Meßscheibe 5 eine verdünnte Zone 14 auf, so daß dadurch die Auslenkung der Biege zunge 11 und damit Empfindlichkeit wesentlich verbessert wird.

Die Schaltung auf der gesamten Meßscheibe 5 wird mit Hilfe einer an sich bekannten Dünn- und Dickschichttechnik aufgetra gen. Hierzu wird auf die Meßscheibe, welche vorzugsweise aus Edelstahl besteht, eine stabile anorganische Islierschicht aufgetragen. Auf die Isolierschicht werden die Dehnmeßwider stände mit Hilfe spezifischer Dünnfilmprozesse aufgebracht. Diese bestehen vorzugsweise aus einer Nickel-Chromlegierung. Diese Legierung wird als dünner Film abgeschieden. Danach schließen sich die entsprechenden Strukturierungsprozesse zum Aufbau der Schaltung an, im vorliegenden Fall als Wheat stone'sche Vollbrücke als aktives Element mit der zuvor angegebenen Anordnung der einzelnen elektronischen Bausteine. Zum mechanischen und chemischen Schutz der Elemente wird die gesamte Schaltung mit einer besonderen Glasschicht beschichtet, ohne daß die Biegeeigenschaften wesentlich beeinflußt werden.

Liste der Bezugszeichen

1

Volumenstrommeßgerät

2

Meßleitungsanschluß

3

Schraubgehäuseteil des Meßgehäuses

4

Schraubgehäuseteil des Meßgehäuses

5

Meßring

6

Passung

7

Prallscheibe

8

Prallscheibe

9

O-Ringdichtung

10

O-Ringdichtung

11

Biegezunge

12

innerer Bereich der Meßscheibe

5

13

äußerer Bereich der Meßscheibe

5

14

verdünnte Zone der Biegezone an ihrer Verbindung zum inneren Bereich

12

R1, R2, R3, R4 Meßbrückenteile,
RT Temperaturfühler

Claims

1. Volumenstrommeßgerät für Hydrauliksysteme mit hohen dynami schen Drucken zur Erfassung von Volumendurchflüssen, mit einer im Strömungskanal eines Meßgehäuses angeordneten Biegezunge als Meßwertgeber, auf der sich ein Biegemeß streifen befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Biege zunge (11) integraler Bestandteil eines Meßringes (5) ist, welche in der Ringöffnung angeordnet ist, daß der Meßring (5) in einer Passung (6) des Meßgehäuses (3, 4) gelagert ist und daß die in Dünn- bzw. Dickschichtechnik auf der Biege zunge (11) ausgebildete Widerstandsschaltung einer Meßbrücke mit Temperaturfühler Leitungsführungen ihrer Leiterbahnen aufweist, welche mittels O-Ringdichtungen (9) des Meßringes aus dem druckbeaufschlagten Strömungskanal geführt sind.

2. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verstärkerschaltung der Meßbrücke auf dem Meßring (5) unmittelbar außerhalb des druckbeaufschlagten Strömungskanals angeordnet ist.

3. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Teil des Brückenarmes der Meßbrücke auf der Biegezunge (11) im druckbeaufschlagten Teil des Meß ringes (5) angeordnet ist, während sich der übrige Teil der Meßbrücke unmittelbar außerhalb des druckbeaufschlagten Teils des Meßringes (5) befindet.

4. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung als Hybrid- oder Asic-Schaltung ausgebildet ist.

5. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente der Meßbrücke durch eine Schutz-Glasschicht gegen die mechanischen und chemischen Einwirkungen des Fluids im Meßkanal gesichert sind.

6. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgehäuse als ein zweiteiliges Schraubgehäuse (3, 4) ausgebildet ist, wobei die innere Stoßstelle der Schraub teile die Passung (6) zur Aufnahme des Meßringes aufweist.

7. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßring (5) im Meßkanal symmetrisch angeordnet ist.

8. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßkanal jeweils eine Prallscheibe (7 bzw. 8) vor- und nachgeschaltet ist.

9. Volumenstrommeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als eine kompakte Baueinheit mit Einschraubgewinde ausgebil det ist.