DE2038771A1

DE2038771A1 - Druck-Messwertwandler

Info

Publication number: DE2038771A1
Application number: DE19702038771
Authority: DE
Inventors: Slimak Lawrence E; Teitelbaum Bernard R
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-08-04
Publication date: 1971-02-25
Also published as: DE2038771B2; JPS5021110B1; FR2056960B1; CA940734A; FR2056960A1; US3866473A; GB1313935A

Description

Druck-Meßwertwandler

Die Messung des Drucks einer Kapsel durch Messung deren Verformung ist bekannt. Die bisher bekannten Druckwandler zur Messung der Verformung sind jedoch nicht für genaue Messungen in einem beschleunigten System ausgelegt, da die Beschleunigungskräfte eine Verformung des MeßwertWandlers bewirken, die bis jetzt nicht von der durch den Druck erzeugten Verformung zu unterscheiden war. Durch die Erfindung wird dieses BeschleunigungsproKbm dadurch gelöst, daß Mittel zur Abtastung der Verformung auf einer Anzahl der Montageflächen von Meßwertwandlern so angebracht werden, daß sie zwischen der durch Druck und der durch Beschleunigung entstehenden Verformung des Meßwertwandlers unterscheiden können. Weiter ist die erfindungsgemäße Einrichtung in eine Form eingebettet, die leicht an die verschiedensten Kapseln angepaßt werden kann, wogegen die bisher bekannten Wandler, als feste Teile des Systems ausgelegt sind, in welchem sie arbeiten. Schließlich gibt es keinen bekannten Verformungsmessenden | Druckwandler, der genau dem Druck in einem eine Beschleunigung

109809/143·

erfahrenden System ohne Bruch der Oberfläche der Kapsel mißtund der leicht an verschiedene Kapselgrößen angepaßt werden kann.

Die Erfindung kann zur genauen Messung des Druckes in jeder keinen Stehwellen ausgesetzten Kapsel verwendet werden. Sie ist besonders wirksam für die Fehlersuche bei der Prüfung von hydraulischen oder pneumatischen Drucksystemen, die zum Beispiel zu
Wasser- und Dampfleitungen, Erdgas- oder Leitungen für chemische Stoffe gehören. Die Erfindung dient auch zur Prüfung von Bremsleitungen in Kraftfahrzeugen sowie auch für die Fernübertragung von Druckmeßwerten von Geräten, die sich an für die direkte Beobachtung unzugänglichen oder unsicheren Stellen befinden, wie
z.B. in radioaktiven Gebieten oder Plätzen mit extremen Temperaturverhältnissen. Weiter kann die Vorrichtung vorteilhaft zur Messung der Drücke angewendet werden, die sich bei ballistischen Versuchen in Geschützläufen entwickeln. Außerdem kann der Meßwertwandler als Druckwächter für die Reifen von Flugzeugen oder einen Zähler für einen Druckzyklus bei Geräten verwendet werden, bei welchen die Materialermüdung vorausgesetzt wird. Schließlich dient die Erfindung zur genauen Druckmessung in einem beschleunigten Fahrzeug.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 und 2 ein Aufriß und ein Grundriß eines ersten Ausführung^· beispiels des erfindungsgemäßen Meßwertwandlers,

- 3 - j

109809/U38

Fig. 3 und 4 die gleichen Ansichten eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 ein Schemaschaltbild der elektrischen Einrichtungen zur Messung der durch die Wandler abgegriffenen Druckwerte.

Das in den Fign. 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßwertwandlers Io ist zur Befestigung an eine Kapsel ausgelegt, um den auf diese Kapsel ausgeübten Druck zu messen und bestimmte, jedoch nicht alle, Beschleunigungen des Wandlers und der Kapsel von dem auf die Kapsel einwirkenden Druck zu unterscheiden. Der Wandler Io ist ein U-förmiger Einspannapparat mit ersten und zweiten Gliedern in Form von freitragenden Armen oder Auslegern 12 und 14, von denen mindestens einer elastisch verformbar ist. Der erste freitragende Arm 12 besitzt einen ersten V-förmigen Teil 16 an seinem freien Ende 18 und ein abgewinkeltes Scharnierteil 2o an seinem entgegengesetzten Ende. Der zweite freitragende Arm 14 besitzt einen zweiten V-förmigen Teil 22 an seinem freien Ende 24, welches mit dem ersten V-förmigen Teil zusammenwirkt; an seinem entgegengesetzten Ende ist das gabelförmige Winkelscharnierteil 26 mit dem Arm 14 durch das Verbindungsstück 27 verbunden. Die Arme 12 und 14 bilden den Rahmen In den Scharnierteilen 2o und 26 ist die Bohrung 29 ausgeformt,

; und der Stift 31 vervollständigt das Scharnier 3o, um die

freitragenden Arme 12 und 14 drehbar einstellen zu können, wodurch eine Kapsel zwischen diese eingepaßt werden kann, die hier als Rohr 32 gezeigt ist. Durch das Scharnier 3o können die V-förmigen Teile 16 und 22 auf verschiedene Abstände zueinander eingestellt werden, so daß sie verschiedenen Kapselgrößen angepaßt werden

109809/1-436 .

können. Die Arme 12 und IH sind mit den Bohrungen 34 und 36 versehen. Diese Bohrungen fluchten zueinander, damit der Gewindebolzen 38 durch sie hindurchgeführt werden kann. Die Flügelmutter 4o wird auf den Spannbolzen 38 zur Befestigung des Wandlers Io auf dem Rohr 32 aufgeschraubt. Wenn die Kapsel, auf welche der zu messende Druck einwirkt, für die Aufnahme des dargestellten j Wandlers zu groß ist, so wird der Stift 31 aus der Bohrung 29 \ gezogen, und der Spannarm 14 wird durch einen gleichartigen ι Arm ersetzt, dessen Verbindungsstück länger ist als das gezeigte Verbindungsstück 27. Der freitragende Arm 12 ist am Rohr 32 durch eine Halterung befestigt, die aus den V-förmigen Teilen

j und 22, dem freitragenden Arm 14, dem Verbindungsstück 27, dem Scharnier 3o, den Bohrungen 34 und 36, dem Gewindebolzen 38 sowie der Flügelschraube 4o besteht.

Der Druck wird durch Vorrichtungen zum Abtasten der Verformungen gemessen, in diesem Fall durch einen oder mehrere Dehnungsmeßstreifen 41, 42 (Fig. 1), welche die Verformung des Armes 12 abgreifen. Diese Verformung ist dem auf das Rohr 32 einwirkenden Druck proportional und bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Dehnungsmeßstreifen (DMS) 41 und 42. Diese Änderungen des elektrischen Widerstandes können durch die Dehnungsmesser 41 und 42 gemessen werden, die als Widerstände R^ und R« in einer Wheatstone-Brücke liegen, von der eine vereinfachte Ausführung in Fig. 5 gezeigt ist. Die Widerstände R₃ und R^ sind so gewählt, daß die Brücke abgeglichen ist. Dies kann auf verschiedene bekannte Weisen erfolgen. Ein Weg, um diesen Abgleich bzw. diese Symmetrie zu erreichen, besteht darin, R₃ und R₄

109809/U36

gleiche Werte zu geben, wenn R^ und R₂ gleich sind. Wenn sich der Widerstand-eines DMS erhöht und der Widerstand des anderen DMS verringert, so wird die Brücke unsymmetrisch, und zwischen ihren Punkten 97 und 98 tritt eine Spannungsdifferenz auf. Diese Spannung ist dem auf das Rohr 32 einwirkenden Druck proportional und wird durch das Meßgerät 96 gemessen. Wenn beide Dehnungsmesser 41 und 42 gleiche Änderungen des Widerstandes erfahren, gleich ob dieser sich erhöht oder verringert, so bleibt die Brücke abgeglichen, und es tritt keine Spannungsdifferenz bzw. Auslenkung des Meßgeräts auf. Diese sich gleichen Veränderungen treten dann ' auf, wenn auf den Wandler Beschleunigungskräfte einwirken, wie nachstehend näher erläutert wird. Die Anwendung dieser Grundsätze '■ gestattet es, den Röhrendruck genau zu messen, wenn der Wandler durch Beschleunigungskräfte verformt wird.

Dehnungsmesser sowohl in Form von Drahtwiderständen, von Folien oder Halbleitern arbeiten bei den beschriebenen Ausführungsbei spielen der Erfindung mit gutem Wirkungsgrad. Die größte Genauigkeit und Empfindlichkeit wird jedoch mit Halbleitermeßgeräten ■ erreicht. Alle diese Dehnungsmesser sind dadurch gekennzeichnet, daß sich ihr elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Verformung der mechanischen Spannung ändert. Wenn diese Dehnungsmesser gespannt sind, so erhöht sich der Widerstand, wenn sie zusammengedrückt sind, so verringert sich der Widerstand. Dehnungs«- messer aus Draht oder Folie erfahren größte Widerstandsänderungen, von 2 bis 3$, während sich der Widerstand vom Halbleiter-DMS bis zu 2o bis 3o% ändern kann. Zur Erzielung der besten Ergebnisse müssen die bei jeder Ausführung der Erfindung verwendeten Dennungsmesser mit einer Anzahl von einzelnen Meßelementen aneinander!

109809/1436

2Ü38771

angepaßt sein und im wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Angepaßte DMS-Sätze sind ohne Schwierigkeiten von den Herstellern zu beziehen. Diese Anpassung ist nützlich, weil die Verformung entsprechender Teile des Wandlers durch eine Änderung der elektrischen Eigenschaften der Dehnungsmesser verglichen wird, wobei die Genauigkeit durch Verwendung von DMS verbessert wird, die völlig gleichartig auf eine gegebene Verformung ansprechen.

Die an den parallelen Montageflächen 43 und 44 des freitragenden Armes 12 befestigten Dehnungsmesser 41 und 42 (Fig. 1) tasten die Verformung des Armes 12 in jeder Richtung ab, jedoch gemäß ihrer Lage bewirken die Verformungen des Armes 12 in den Richtungen 45, 46 und 47 nicht die gleiche Reaktion bei jedem Dehnungsmesser. Die Dehnungsmesser 41 und 42 sind nach ihrer Lage höchst empfindlich auf Verformungen des Armes in Richtungen parallel zum Pfeil 45. Bei einer Bewegung des Armes 12 in einer der Richtungen J des Pfeiles 45 wird einer der beiden Dehnungsmesser 41 oder 42 zusammengepreßt; der andere Messer dehnt sich bei einer Verformung der Montageflächen 43 und 44 aus. Jedoch eine auf das Rohr 32 einwirkende Druckänderung oder eine Beschleunigung des Wandlers , in den Richtungen des Pfeiles 45 ist geeignet, gleichartige Verformungen der Montageflächen 4 3 und 4M- hervorzurufen. Der in den Fign. 1 und 2 gezeigte Wandler kann somit nicht zwischen einer Verformung infolge von einer Beschleunigung in den Richtungen 45 von einer Verformung infolge von .Druckeinwirkung unterscheiden. Der Wandler jedoch kann eine Beschleunigung in den Richtungen des j Pfeiles 46 (Fig. 1) oder 47 (Fig. 2) gegenüber den das Rohr 32 ί

109809/U38

begleitenden Druckeinwirkungen unterscheiden. Findet die Beschleunigung in dem durch den Pfeil 46 angegebenen Richtungen statt, so werden die beiden Montageflächen 43 und 44 gleichmäßig gedehnt oder zusammengepreßt, wodurch sich der Widerstand eines jeden DMS 41 oder 42 gleichmäßig ändert. Dadurch wird die Brücke (Fig.5) nicht unsymmetrisch und es wird keine Verformung am Meßgerät j angezeigt. Somit kann eine Beschleunigung des Wandlers in den Pfeilrichtungen 46 gegenüber einem auf das Rohr einwirkenden Druck unterschieden werden und beeinflußt nicht die Genauigkeit der Druckmessung. Wird der Arm 12 in den Pfeilrichtungen 47 (Fig.2) durch Beschleunigungskräfte verformt, so werden die Montageflächen 43 und 44 wiederum gleichmäßig gedehnt und ihre Verformung ist somit ebenso gleichmäßig. Somit werden Verformungen des Armes 12 in den Richtungen 47 durch Beschleunigung vom Wandler gegenüber Verformungen infolge des am Rohr 32 herrschenden Druckes unterschieden. Die vorstehende Erläuterung der Wirkungen, welche eine vektorielle Verformung des Armes 12 auf eine Verformung der Montageflächen 43 und 44 ausübt, gilt ebenso für die Montageflächen 48 und 49 des Arms 14, wenn die DMS auf ihm zusätzlich zu oder A anstelle von den Montageflächen 43 und 44 angebracht sind. Es ist offensichtlich, daß Beschleunigungskräfte, die in andere Richtungen als 45, H6 und 47 wirken, in Bestandteile aufgelöst werden können, die zu diesen Richtungen parallel verlaufen; der Wandler spricht auf diese Komponenten auch bei Kräften, die parallel zu den Pfeilen 45, 46 und 47 wirken, in der vorstehend beschriebenen Weise an. Aus Vereinfachungsgründen wird die Beschaltung der Dehnungsmesser 41 und 42 der Fig. 1 und 2 nicht gezeigt, sie ist jedoch allgemein bekannt.

1098097U36 ·

203B771

messer 41 an R. und der DMS 42 an

einer
Fig. 5 zeigt das Schemaschaltbild/Wheatstone-Brücke 9o mit den Widerständen R^, , R₂, Rq und R₁^ welche zum Abgriff der Widerstandsänderung bei den einzelnen DMS dient und diese Änderungen in dem Druck proportionale Signale umsetzt. Die gezeigte Schaltung 9o kann bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung eilgesetzt werden. Die Stromversorgung 92, die eine Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 93 und 94 aufbaut, kann entweder Wechseloder Gleichstrom erzeugen.

Um die Schaltung 9o bei dem in den Fign. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu verwenden, wird der Dehnungsangeschlossen. Dann werden

die Widerstandswerte von R„ und R₁^ so gewählt, daß die Brücke abgeglichen ist. Es ist offensichtlich, daß zum Abgleich der Brücke verschiedene Verfahren angewandt werden können.

Für den Betrieb wird das erste Ausführungsbeispiel der Fign. 1 und 2 zunächst sicher am Umfang des Rohres 32 angebracht. Die Flügelmutter 4o wird gelöst oder vom Gewindebolzen 38 abgeschraubt. Falls erforderlich, kann der Bolzen 38 aus den Armen 12 und 14 des Wandlers Io zwecks Montage des Wandlers am Rohr 32 herausgezogen werden. Dann können sich die Arme 12 und 14 frei um den Stift 31 drehen und damit auf den Durchmesser des Rohrs 32 eingestellt werden. Das Rohr 32 wird zwischen die V-förmigen Teile und 22 zentrisch ausgerichtet, wobei diese Teile mit dem Rohr in Berührung bleiben. Dann wird die Flügelmutter 4o auf dem Gewindebolzen 38 so weit festgezogen, bis das Rohr 32 fest und sicher mit dem Wandler Io verbunden ist. Die Flügelmutter 4o wird am Spannbolzen 38 so weit festgezogen, daß die Arme 12 und

109809/U36

mit dem Rohr 32 in Berührung bleiben, wenn dieses eine Zusammenziehung oder Dehnung in radialer Richtung erfährt.

Wie vorstehend beschrieben, kann die Verformung des Wandlers infolge bestimmter Beschleunigungskräfte von einer Verformung infolge der auf die Kapsel 32 einwirkenden Brücke unterschieden werden, wenn zwei DMS auf einem einzelnen Arm angebracht sind, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Arbeitsweise des Geräts wird am besten anhand eines Beispiels erläutert. Zunächst sei angenommen, daß keine Beschleunigungskräfte auftreten und nur der Druck im Rohr 32 eine Verformung des Wandlers bewirkt. Wenn sich das Rohr ■ infolge des Druckes ausdehnt, wird die Fläche 43 (Fig. 1) zusammen-

gedrückt und die Fläche 44 dehnt sich aus. Daraus ergibt sich eine Herabsetzung des Widerstandes des Dehnungsmessers 41 und ί eine Erhöhung des Widerstandes des Dehnungsmessers 42. In der Schaltung 9o der Fig. 5 ist der Dehnungsmesser 41 durch den Wider-r stand R₁ und der Dehnungsmesser 42 durch den Widerstand R₂ dargestellt. Wenn der Wandler Io in ungespanntem bzw. nicht gedehntem Zustand ist, so ist die Wheistone-Brücke der Fig. 5 abgeglichen. | Im abgeglichenen Zustand herrscht Nullspannung zwischen den Punkten 97 und 98. Wenn der Widerstandswert der Dehnungsmesser 41 und 42 infolge der Verformung eine Änderung erfährt, so wird die Schaltung 9o unsymmetrisch. Zwischen den Punkten 97 und 98 tritt dann eine dem Druck an der Kapsel 32 proportionale Spannung auf. Durch Messung dieser Spannung ist der Druck der Kapsel leicht festzustellen. Sodann seien die Auswirkungen der Beschleunigung auf den Wandler betrachtet. Wenn der Wandler Io in jeder der durch die Pfeile 45 und 47 (Fign. 1, 2) angegebenen Richtungen beschleunigt wird, so wird der Arm 12 verformt.

109809/U38

- Io -

Dies bewirkt eine Verformung der Montageflächen 4 3 und 44. Die Verformung dieser Flächen ist im wesentlichen gleich, wenn die Beschleunigungskräfte parallel zum Pfeil 46 gerichtet sind. Ebenso werden auch diese Flächen gleichmäßig verformt, wenn die Beschleunigungskraft parallel zum Pfeil 47 wirkt. Diese gleichmäßige Verformung ergibt eine gleichmäßige Widerstandsänderung der beiden Dehnungsmesser 41 und 42. Da sich die Widerstände um j eine gleiche Größe ändern, bleibt die Brücke 9o abgeglichen. Somit haben Beschleunigungen in den Richtungen 46 und 47 keine nachteilige Wirkung auf die Eigenschaften des Wandlers zur genauen Druckmessung.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, brauchen die DMS nicht auf paralleilen Montageflächen in gleichen Abständen von den Enden 18 oder 24 der Arme 12 oder 14 oder direkt übereinander auf den Montageflächen der Arme 12 oder 14 angebracht zu werden. Diese Anordnung ist jedoch einerseits zur Druckabtastung recht wirkungsvoll und andererseits auch wirtschaftlich. Bei anderen Anordnungen werden die Einrichtungen zum Abtasten und Messen der Verformung aufwendiger. Eine Ausführung der Erfindung, bei welcher zwei Dehnungsmesser auf dem gleichen Arm, jedoch nicht auf der gleichen Fläche angebracht sind, gestattet, wie bereits erläutert, genaue Druckmessungen bei bestimmten Beschleunigungen, jedoch müssen die Beschleunigungsvektoren parallel zu einer einzigen gegebenen Ebene verlaufen, wie nachstöiend näher erläutert wird. Zum Beispiel sei angenommen, daß es bekannt ist, daß alle von einem Wandler mög- \ licherweise aufgenommenen Beschleunigungsvektoren parallel zu einer einzigen gegebenen Ebene liegen, die den Pfeil 46 (Fig. 1) schneidet und senkrecht zur Ebene des Zeichenpapiers liegt.

- 11 -

1G98G9/U3S

Um den Wandler Io für solche Beschleunigungen unempfindlich zu machen, sind die Montageflächen 43 und 44 auf dem Arm 12, auf denen die DMS 41 und 42 angebracht sind, im wesentlichen parallel zu dieser gegebenen Ebene angeordnet. Alle parallel zu dieser Ebene verlaufenden Beschleunigungsvektoren beeinflussen dann die Dehnungsmesser 41 und 42 in gleicher Weise. Wenn ein DMS zusammen-, gedrückt wird, wird auch der andere in gleicher Weise zusammengedrückt. Wird ein DMS gedehnt, so wird auch der andere gedehnt. Somit bewirken die Beschleunigungskräfte gleiche Widerstandsänderungen in jedem Dehnungsmesser. Da jeder Dehnungsmesser als ™ Widerstand in einem Zweig der Wheatstone-Brücke geschaltet ist (Fig. 5), gleichen sich die Widerstandsänderungen in der Brücke ' aus, und vom Meßgerät 96 wird keine Spannung zwischen den Punkten 97 und 98 registriert. Somit beeinflussen die Beschleunigungen in einer einzelnen gegebenen Ebene nicht die Genauigkeit der Druckmessung des Wandlers. Die einfachste Einrichtung zur Beseitigung der Auswirkungen einer parallel zu einer einzelnen gegebeneji Ebene verlaufenden Beschleunigung ist ein Meßwertwandler, dessen Montageflächen parallel zu dieser Ebene ausgerichtet sind. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Montageflächenparallel zur gegebenen Ebene liegen. Wenn sie nicht parallel zu dieser Ebene liegen, so wird die erforderliche Abtast- und Meßeinrichtung zur Unterscheidung der beschleunigungsbedingten von der druckbedingten Verformung des Wandlers zwar erheblich aufwendiger, bietet jedoch dem Fachmann weiter keine großen Schwierigkeiten. Beim Ausführungsbeispiel der Fign. 1 und 2 müssen mindestens zwei DMS auf einem Arm angebracht werden und an zwei Montageflächen dieses Arms befestigt werden, um den Druck abzutasten und gegen

- 12 -

1Ö98Ö9/U36 .

Beschleunigungen in einer einzigen gegebenen Ebene unempfindlich zu bleiben.

Treten keine Beschleunigungskräfte auf, so liefert der Wandler der Fig. 1 und 2 genaue Druckmessungen, selbst wenn die Einrichtung zum Abtasten der Verformung nur aus einem einzigen auf dem Arm 12 oder 14 montierten Dehnungsmesser besteht anstelle eines Paares, doch weist ein einziger DMS weniger Empfindlichkeit auf als bei dem Dehnungsmesser mit der selben Charakteristik. Wenn keine Beschleunigungsmessungen vorausgesetzt werden, so kann ein einziger DMS zur Druckmessung verwendet werden. In einigen Fällen ist ein einzelner DMS auf einem einzelnen Arm auch dann zur Druckmessung nützlich, wenn der Wandler eine Beschleunigung erfährt. Wenn die Beschleunigungskräfte eine viel kleinere Bewegung des Armes 12 oder 14 als die Druckkräfte hervorrufen, so können •die durch die Beschleunigung erfolgten Verformungen so gering sein, daß der Warder den im Rohr 32 herrschenden Druck noch mit annehm- !barer Genauigkeit mißt. Es ist zu beachten, daß Beschleunigungs-

kräfte in einigen Richtungen eine geringere Verformung der Montageflächen 43, 44, 48 und 49 bewirken als in anderen Richtungen.

:Eine gegebene Beschleunigungskraft erzeugt zum Beispiel die

I stärkste Verformung der Montageflächen, wenn sie parallel zur !Richtung des Pfeiles 45 wirkt. Wenn die Kraft parallel zur Richtung des Pfeiles 47 wirkt, so werden diese Flächen weniger verformt. Eine noch geringere Verformung der Montageflächen j tritt auf, wenn die Kraft parallel zum Pfeil 46 wirkt. Eine Beschleunigung in einer der beiden letzten Richtungen muß nicht notwendigerweise hinreichend sein, um eine merkbare Verformung

- 13 -

109809/ U36

einer Montagefläche hervorzurufen, die die Genauigkeit der Druckmessung wesentlich beeinflussen könnte, selbst wenn ein einzelner DMS auf einer einzelnen Montagefläche mit einer Einrichtung zum ■ Abtasten der Verformungen versehen ist. Es ist sehr wohl möglich, ; daß die durch den .'Kapseldruck bewirkte Verformung der Montage- j flächen erheblich größer ist als die durch die Beschleunigung des Wandlers erzeugte Verformung. In diesem Falle ist ein einzelner DMS genau genug für die Messung des auf die Kapsel während der Beschleunigung des Wandlers und der Kapsel einwirkenden Druckes. Natürlich dürfte ein einzelner DMS in den seltensten Fällen so genjau sein wie zwei richtig montierte Dehnungsmesser.

Wenn beim Ausführungsbeispxel der Fig. 1 nur ein einziger DMS verwendet wird, so kann er auf jeder der vier gezeigten Montage-[ flächen 43, 44, 48 und 49 angebracht werden. Dieser DMS kann dann als jeder der vier Brückenwiderstände der Fig. 5 erscheinen. Wird er als R^ geschaltet, so werden die übrigen Widerstände R„, R₃ und R₁₊ der Schaltung 9o so gewählt, daß die Brücke abgeglichen ist. Wenn die Montagefläche, auf welcher er angebracht ist, in Abhängigkeit von einer durch die Ausdehnung des Rohres 32 bewirkten Bewegung des Armes 12 verformt wird, so ändert sich der Widerstandswert des DMS R. der Fig. 5, und zwischen den Punkten 97 und 98 der Schaltung 9o liegt eine Spannung an. Diese Spannung wird durch die Wheatstone-Brücke in der vorbeschriebenen und bekannten Weise abgegriffen.

Ein anderes in den Fign. 3 und 4 gezeigtes Ausführungsbeispxel der Erfindung soll den auf eine Kapsel ausgeübten Druck genau

- 14 -

1Ö98Ö9/H36

messen und ihn von allen Beschleunigungen unterscheiden. Dies-i Ausführung 5ο besteht aus einem U-förmigen Bügel oder Spanner mit ersten und zweiten elastisch verformbaren Gliedern oder freitragenden Armen 52 und 54, die durch das Verbindungsstück 5 5 verbunden sind. Die Arme 52 und 54 sowie das Verbindungsstück 55 bilden den Rahmen 56. Eine Halterung in Gestalt des V-förmigen Teils 58, die in der Bohrung 62 des ersten freitragenden Armes 52 verschraubte Einstellschraube 6osowie das Verbindungsstück 55 drücken die Arme des Wandlers 5ο an die Umfangsflache einer Kapsel, die hier als Rohr 32 gezeigt ist. Die Verformungsabtasteinrichtungen arbeiten in der Form von Dehnungsmessern 71, 72, und 7«+, die an den Montageflächen 66, 68, 76 und 78 befestigt sind. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel vier DMS gezeigt sind, kann bei richtiger Anordnung ihre Anzahl auf zwei herabgesetzt werden_;ohne den Wandler für die Aufgabe der Druckmessung und der Unterscheidung zwischen jeglicher Beschleunigung und Druck nachteilig zu beeinflussen, wenn an den korrespondierenden Montageflächen eines jeden Arms ein DMS angebracht wird. Der Ausdruck "korrespondierende Montagdlächen" gilt für die Montageflächen von Dehnungsmessern, die im wesentlichen gleichartig beeinflußt werden, wenn sie derselben Beschleunigungskraft unterworfen sind, d.h. jede dieser Flächen wird zusammengedrückt daer gedehnt, und die im wesentlichen entgegengesetzten Einflüssen unterliegen, ' wenn sie der Wirkung des Kapseldrucks unterworfen sind, d.h. eine Fläche wird zusammengedrückt und die andere gedehnt oder umgekehrt. Die Flächen 68 und 78 oder 66 und 76 sind Beispiele für korrespondierende Montageflächen. Ein Wandler mit einem DMS auf je zwei korrespondierenden Montageflächen unterscheidet Druck-

- 15 -

f0 980 9/1436

von Beschleunigungswirkungen. Das heißt, die Dehnungsmesser 71 und 73 können entfernt und 72 und 7 t beibehalten werden oder« 72 und 74 können entfernt und 71 und 73 beibehalten werden. Um alle Beschleunigungswirfcungen vom Druck zu unterscheiden, muß mindestens ein DMS auf jedem Arm angebracht sein. Die korrespondierenden Montageflächen brauchen nicht parallel angeordnet zu sein, jedoch

j die Einrichtung zur Abtastung der Verformung wird komplizierter und kostspMiger, wenn sie nicht parallel zueinander liegen. Um die höchste Wandlergenauigkeit zu erzielen sollten die DMS

' auf korrespondierenden Montageflächen angebracht werden, dies ist ™ jedoch für den einwandfreien Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage keine Notwendigkeit.

Wenn die DMS auf korrespondierenden Montageflächen der Arme angebracht sind, so erzeugen die Beschleunigungskräfte gleiche Verformungen der Flächen, und die beiden DMS erfahren gleiche Ände-1rungen ihres elektrischen Widerstandes. Einer der beiden DMS

I kann als R. der Fig. 5 geschaltet werden und der andere als R„· R₃ und R^ werden so gewählt, daß die Brücke abgeglichen ist.

ι - ' ■

ί ■-·.■ ^:

j Zur Inbetriebnahme dieser Ausführung wird der Wandler 5o zunächst i-fej>jk^aji die¹ Umfangsflache des Rohres 32 angedrückt. Die Stellschraube 6o wird teilweise vom ersten freitragenden Arm 52 gellöst, damit das Rohr 32 mit dem "V"-57 des V-förmigen Teils 58 j . wird

fluchten kann. Nachdem das Rohr 32 so ausgerichtet ist,/die Stell-

Ischraube 60 auf (fern Rohr 32 angezogen, wodurch der Wandler 5o auf

dem Rohr festgespannt ist. Die Schraube 60 wird auf dem Rohr 32

!so weit angezogen, daß der erste und zweite freitragende Arm 52 'und 54 in Berührung mit dem Rohr 32 bleibt, wenn sich das Rohr

109809/U36 . " ¹⁶ "

in radialer Richtung zusammenschiebt oder ausdehnt. Wenn eine gegebene Beschleunigungskraft die Arme 52. und 54 des Wandlers 5o verformt, so wird jeder der beiden DMS in gleicher Weise verformt. Dies ergibt für jeden DMS eine gleiche Widerstandsänderung, wo- ! durch die Brücke 9o der Fig. 4 weiterhin abgeglichen bleibt. Wie bekannt, gibt das Meßgerät 3 6 keine Anzeige in Abhängigkeit von Beschleunigungskräften solange keine Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 97 und 98 der Schaltung 9o auftritt.

Wenn der auf das Rohr 32 ausgeübte Druck die Arme 52 und 54 (Fig.3)

radial nach innen oder außen in Bezug auf den Rohrquerschnitt bewegt, so unterliegen die korrespondierenden Montageflächen entgegengesetzt gerichteten Einflüssen. Der eine wird komprimiert und der andere gedehnt, wodurch sich in einem der elektrische ι Widerstand erhöht und im anderen verringert. Diese Änderungen '■■ bewirken eine Unsymmetrie der Brückenschaltung 9o (Fig. 5), worauf am Meßgerät 96 eine Anzeige erscheint, die proportional dem auf das Rohr 32 ausgeübten Druck ist.

Wie vorstehend erwähnt, läßt sich ein Druckmeßwandler bauen, der zwischen der Verformung durch Beschleunigung und der Verformung durch Druck unterscheiden kann, obwohl die beiden DMS nicht auf den korrespondierenden Montageflächen angebracht sind. In Fig. 3 zum Beispiel könnten entweder die DMS 7 2 und 7 3 oder 7I₁ und 74 eingesetzt werden, und das überflüssige Paar ausgebaut werden. Diese Auslegung arbeitet nicht so genau wie ein Wandler, dessen DMS auf den korrespondierenden Montageflächen angebracht sind, ist jedoch für viele Zwecke genau genug. Wenn diese Bauanordnung .verwendet werden soll, so nimmt man vorzugsweise

10 9 8 0 S/ 1 4 36

DMS aus Folienstreifen oder Draht anstelle von Halbleiter-DMS. Der Maximalbereich der Widerstandsänderung dieser Folien- oder Drahtdehnungsmeßstreifen liegt zwischen 2 und' 3%. Die Grundsätze der Arbeitsweise dieses Wandlers werden nachstehend anhand eines Beispieles erläutert. Die DMS 72 und 73 seien auf den Montageflächen 68 und 76 angebracht, obwohl beispielsweise genausogut die DMS 71 und 74 auf den Flächen 66 und 78 gewählt werden könnten:. Durch entsprechende Beschaltung der Widerstände der DMS in der ' Wheatstone-Brücke der Fig. 5 läßt sich mit dem Wandler, wie nach- j s tehend beschrieben wird, eine ausgezeichnete Annäherung an dem !

auf das Rohr 32 ausgeübten Druck selbst in Gegenwart von Beschleu-i nigungskräften erreichen. Der eine DMS-Widerstand ist als R^, und !

der zweite als R₁^ geschaltet. R₂ und R~ werden zum Abgleich der I Brücke gewählt. Ein Weg, dies zu erreichen, besteht darin, daß Ϊ R₀ s R₀. Wegen der geringen Widerstandsänderungen der Draht- j

L. O I

oder Foliendehnungsmeßstreifen arbeitet diese Schaltungsanordnung j gut. Weiter sei angenommen, daß der Widerstand dieser Draht- oder ;

Foliendehnungsmeßstreifen je 12o Ohm betrage (R^ = R₁₊ = 12o Ohm), und daß die Spannung zwischen den Punkten 93 und 94 ein Volt betragen. Weiter sei vorausgesetzt, daß R« = R₃ - 12o Ohm. Sodann sei angenommen, daß eine charakteristische Beschleunigung in den DMS 72 und 73 eine Änderung von 1% des elektrischen Widerstandes bewirke. Ferner sei angenommen, daß der zu R* gehörende DMS 72 zusammengedrückt werde und der zu R₁₊ gehörende DMS 73 gedehnt werde. Unter Last ändern sich die Widerstände R₁ und R₁₊ um etwa 1% oder 1,2 Ohm auf 121, 2 Ohm und 118,8 Ohm. Unter Verwendung der vorstehenden Zahlen läßt sich nun die an den Punkten 97 und 98 anliegende Spannung bestimmen. Hierzu sei angenommen, daß der Punkt 93 auf Nullpotential liegt. _ 18 -

1Ö9609/14T6

/1)3*1771

98

R,

—

+ R

- 18 -	2. + 1	2 ο	= O.	5o243	V
171.		78	= O .	5o251	V
121,. 2	118
12 ο
12 ο +

Die Größe der Spannung zwischen den Punkten 97 und 98 = (V_Qif-?_o,_?) = 0.00002 Volt.

Es ist offensichtlich, daß die Beschleunigung ein elektrisches Signal von - o,oooo2 Volt erzeugt.

Jetzt werde das Verhalten des Wandlers in Abhängigkeit von dem auf die Kapsel einwirkenden Druck betrachtet. Angenommen es trete eine Druckverformung des Wandlers auf, die ausreicht, um eine Widerstandsänderung der DMS von 1% zu erzeugen» R.. und R₁, ändern

sich um 1,2 Ohm.

und R₁^ erhöhein sich je auf 121,2 Ohm.

121.2

97

98

121.2 + 12o

12o

ΪΠΤΤΤΤ20

= o.5o249 V

= o.19751 V

Die Größe der zwischen den Punkten 97 und 98 liegenden Spannung = (V₉₈ - V₉₇) = 0.OO498 Volt.

Eine Änderung des auf den Wandler ausgeübten Drucks ist groß genug, um eine Widerstandsänderung der DMS von 1% zu erzeugen, wodurch ein elektrisches Signal von - o,oo498 Volt entsteht. Es ist zu beachten, daß die durch Druckänderungen erzeugten Spannungsänderungen viel größer sind als die durch die Beschleunigungs

- 19 -

- 19 hervorgerufenen Spannungsänderungen.

Bei größeren Widerstandsänderungen in der Schaltung 9o ist keine wirksame Funktion dieses Ausführungsbeispiel mit nicht-korrespondierenden Montageflächen gegeben. Wegen dieser Eigenschaft eignet sich diese Ausführung nicht gut für die Bestückung mit Halbleiter-Dehnungsmessern, die Widerstandsänderungen von 2o '; bis 3o% aufweisen. Wie aus dem vorstehend erläuterten Beispiel hervorgeht, dankt die beschriebene Ausführung ihren einwandfreien Betrieb den kleinen Widerstandsänderungen, die den Folien- oder fl Drahtdehnungsmessern eigen sind.

; Falls zum Zwecke einer größeren Empfindlichkeit vier DMS gej wünscht werden (Fig. 3) so werden die Montageflächen 66 und 68 j vorzugsweise, jedoch nicht zwangsläufig auf gegenüberliegenden Seiten des Arms 52 angeordnet, und die DMS 71 und 72 sind in

gleichen Abständen vom freien Ende 8o des Arms 52 angebracht.

Durch diese Lage der DMS 71 und 72 erzeugt eine Verformung des Arms 52 in Richtung des Arms 54 oder in Gegenrichtung gleiche ^ aber entgegengesetzt gerichtete Verformungen der DMS 71 und 72.

Die in Fig. 3 gezeigten Arme 52 und 54 sind zueinander parallel, müssen es jedoch nicht sein. Die Dehnungsmesser 73 und 74 sind auf den am Arm 54 liegenden Montageflächen 76 und 78 befestigt.

Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise liegen die Flächen und 78 auf entgegengesetzten Seiten des Arms 54 , und die DMS 7 3 und 74 sind in gleichen Abständen vom freien Ende 82 des Arms 54 angeordnet. Die Montageflächen 66, 68, 76 und 78 müssen nicht parallel zueinander sein, obwohl sie in diesem Ausführungsbeispiel parallel zueinander liegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel

- 2o -

109809/ U36 ·

2Ü3H771

- 2ο -

ist der Abstand der DMS 73 oder 74 zum freien Ende 82 des Arms gleich dem Abstand der DMS 71 oder 72 zum freien Ende 8o des Arms 52, obwohl diese gleichen Abstände für den Betrieb der Einrichtung nicht von Bedeutung sind. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dicke des Arms zwischen den Montageflächen 66 und 68 sowie 76 und 78 gleich, obwohl dies für den Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht von Belang

ist

ist. _ Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel/der Querschnitt der Arme 52 und 54 in der Gegend der DM3 71, 72, 73 und gleich, und die Montageflächen 66, 68, 76 und 78"", auf welchen die DMS angebracht sind, liegen zueinander parallel. Diese Gleich« heit und Parallelität ist nicht erfindungswesentlich. Der Aufbau des gezeigten Ausführungsbeispiels ermöglicht jedoch eine Unterscheidung zwischen Beschleunigung und Druck mit einem Minimum an Abtast- und Meßeinrichtungen. Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbexspiele können zusätzlichen Einrichtungen erforderlich machen, die sonst unnötig wären. Beschleunigungseffekte können auf die einfachste Weise beseitigt werden, wenn sich die Montageflächen, auf welchen die DMS angebracht sind, in parallelen Ebenen befinden.

Es ist zu beachten, daß der zweiteilige Rahmen 28 der Fign. 1 und 2 ebenso vier DMS aufnehmen kann wie der einteilige Rahmen 56 der Fign. 3 und 4. Erfindungsgemäß stellen die beiden Rahmenauslegungen austauschbare Möglichkeiten dar.

Für den Betrieb der Schaltung 9o (Fig. 5) mit vier DMS (Fign. 3 und 4), wird der DMS 71 in der Brücke 9o als R. geschaltet, der DMS72 als R₂, DMS 73 als R₃ und DMS 74 als R₄. - 21 -

109809/1436

Da die DMS aus einem angepaßten Satz bestehen, besitzt jeder im wesentlichen den gleichen Widerstandswert. Der Spannungsabgriff hier als Meßgerät 96 gezeigt, greift die Spannung zwischen den Punkten 97 und 98 der Wheatstone-Brücke 9o ab und mißt sie. Bekanntlich ist die Spannung an den Punkten 97 und 98 gleich, und das Meßgerät 96 zeigt eine Nullspannungsdifferenz an, wenn nicht der Wandler 5ο verformt wird und eine Widerstandsänderung von R₁, R₂, R₃ und R^ bewirkt, wodurch eine Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 97 und 98 der Schaltung 9o entsteht. Der Wandler 5o (Fig. 3) unterscheidet die beschleunigungsbedingte; Verformung des Wandlers von der druckbedingten Verformung der Kapsel durch Abtasten der Verformung der Montageflächen 66, 68, j 76 und 78. Wenn z.B. der Druck im Rohr 32 dessen Ausdehnung in radialer Richtung bewirkt, so werden mit der Dehnung des Rohrs 1 die Arme 5 2 und 54 radial nach außen gedrückt; die Montageflächen j

i 66 und 78 werden zusammengedrückt, während die Montageflächen 68 ; und 76 gedehnt werden. Die Dehnungsmesser 71 und 74 auf den Mon- ■ tageflachen 66 und 78 erfahren eine Verringerung des elektrischen! Widerstandes; die Dehnungsmesser 72 und 7 3 auf den Montageflächen¹ 68 und 76 erfahren eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes. Da der DMS 71 als Widerstand R₁ geschaltet ist (Fig. 5), der DMS 72 als R₀, der DMS 7 3 als R_Q und der DMS 74 als R_u, ist , die Spannung zwischen den Punkten 97 und 98 nicht mehr gleich, wenn die DMS belastet sind. Wenn der Wandler durch Druck verformt.

wird so erhöhen sich die Widerstandswerte von R₁ und R₁₊ und die

von R₀ und R₀ erhöhen sich. Wie bekannt, wird dadurch die j 2 3 ;

Schaltung 9o unsymmetrisch und zwischen den Punkten 97 und 98 entsteht eine dem Druck im Rohr 32 proportionale Spannungsdiffe-

- 22 -

1 09809/ U36

5MAt* INSPECTED

renz. Wenn der Wandler 5o Beschleunigungsvektoren in beliebiger Richtung ausgesetzt ist, so erfahren die Montageflächen 71 und 7 3 gleiche Verformungen; ebenso werden die Flächen 7 2 und 74 gleich verformt, jedoch im Gegensinn zu den Flächen 71 und 73. Dadurch erfahren R^ und R₃ sowie R_ und R^ gleiche Widerstandsänderungen. Da sich die Widerstände R., und R^ in gleicher Weise ändern, bleibt die Spannungsverteilung zwischen den Punkten 9 3

^ in gleicher

Weise, und die Spannungsverteilung zwischen ihnen ändert sich ebenfalls nicht. So tritt zwischen den Punkten 9 7 und 98 keine Spannungsänderung auf, und die Beschleunigung des Wandlers 5o erzeugt keine Anzeige am Meßgerät 96. Als Ergebnis beeinflußt die Beschleunigung nicht die Genauigkeit des Druck-Meßwertwandlers

und 94 unverändert. Ebenso ändern sich R~ und

Während zwei entsprechend angeordnete DMS zur Unterscheidung von allen Beschleunigungsverformungen gegenüber den Druckverformungen erforderlich sind, kann der Druck alleine durch Verwendung nur eines einzigen Dehnungsmessers gemessen werden, der auf jeder der in Fig. 3 gezeigten Montageflächen angebracht sein kann, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Fign.

und 2 beschrieben wurde. Werden keine ernsthaften Beschleunigungs*

vorprobleme/ausgesetzt, so genügt ein einziger DMS zur Bestimmung

des auf die Kapsel wirkenden Drucks.

Alle Ausführungsbeispiele der Erfindung können entweder Druckänderungen oder den absoluten Druck mit dem üblichen Nullpegel messen, wobei der Nullpegel entweder der atmosphärische Druck oder das Vakuum ist. Zur Messung des Absolutdrucks muß natürlich

- 23 -

109809/1436

ORiGlNAL INSPECTED

!das Meßgerät 9 6 in den entsprechenden Einheiten geeicht werden und es muß ein Nulldruck-Bezugspegel hergestellt werden. Dies ;erfolgt durch bekannte Eicheinrichtungen.

- 24 -

1Ü9809/U36 .

Claims

Patentansprüche

.) Meßwertwandler, der lösbar auf einer elastisch verformbaren Kapsel zur Messung des auf die Umfangsflache der Kapsel einwirkenden Drucks angebracht ist, gekennzeichnet durch einen Rahmen (28, 55) der mindestens einen freitragenden Arm (12-14, 52-54) trägt, welcher in Abhängigkeit von der Verformung der Umfangsflache der Kapsel (32) elastisch verformbar ist, abnehmbare Mittel zum Andrücken der Arme (12-14, 52-54) an die Umfangsflache der Kapsel (32), Mittel zum Abtasten der Verformung (41-42, 71...74), die ein Signal in Abhängigkeit von der Verformung der Arme abgeben, und Mittel (9o) zur Umsetzung des Signals in den gewünschten Druckwert.
2. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Arme (12-14, 52-54) mit parallelen Längsachsen und gleichen Querschnitten besitzt.
3. Meßwertwandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch parallel liegende Montageflächen (43-44...66 bis 68...), die auf den

10980Ö/U36 " ^2δ "

ORIGiNAL INSPECTED

2U38771

- 25 -

Armen (12-14, 52-54) zur Anbringung der Mittel zum Abtasten der Verformung ausgeformt sind, wobei diese Flächen lotrecht zu einer Ebene liegen, in welcher die Längsachsen der Arme verlaufen.
4. Meßwertwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abtasten der Verformung (41-42...) Dehnungsmeßstreifen sind, die ein elektrisches Signal in der Form

das

einer Widerstandsänderung abgeben, und daß/Mittel zur Signalumsetzung (9o) eine Wheatstone-Brücke ist, in deren Zweigen die Dehnungsmeßwiderstände liegen.
5. Meßwertwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Art und der Ort der Dehnungsmeßstreifen (41...) auf den Armen im Hinblick auf die Anbringung ihrer Widerstände der Wheatstone-Brücke (9o) gewählt wird, so daß die Druckmessung durch Widerstandsänderungen nicht beeinflußt wird, die sich aus der Einwirkung der Beschleunigung auf die Kapsel (32) ] ergeben. ■
6. Meßwertwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ^!

• ■ ■ ι

mindestens eine Gruppe von zwei angepaßten Dehnungsmeßstreifen!

(41...) vorgesehen ist, damit sie gleiche Widerstandsänderungeji unter gleichen Verformungen der Oberfläche erfahren auf der ";

sie angebracht sind. '
7. Meßwertwandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch min destens einen Satz von Dehnungsmeßstreifen (71-74 oder 72-73), die jeweils auf den Montageflächen (66-78 oder 68-76) eines

"" 10^809/1436 " ²⁶ "

ORlGlMAL INSPECTED

Arms (52-54) in entgegengesetzten Richtungen befestigt sind, wobei es Draht- oder Foliendehnungsinesser sind, und zwei gegenüberliegende Zweige (R.-R ) oder (R_-R_) einer Wheatstonebrücke (9o) bilden.
8. Meßwertwandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens einen Satz von Dehnungsmeßstreifen (71-73 oder 72-74) die jeweils auf den Montageflächen (66-76 oder 68-78) eines Arms (52-51) in gleichsinniger Richtung angebracht sind, wobei diese Dehnungsmesser Halbleiterdehnungsmesser sind, und zwei aneinandergrenzende Zweige (R₁-R-, R₃-R₄) der Wheatstonebrücke (9o) bilden.
9. Meßwertwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen entspricht.

TM80 97 U