DE2141021A1 - Differenzdruck-Meßfühler bzw. -meßwertwandler - Google Patents

Description

Differenzdruck-Meßfühler bzw. -meßwertwandler

Die Erfindung betrifft einen Bifferenzdruck-Meßfühler bzw. -meßwertwandler des Typs mit veränderlichen Kapazltätselementen zur Verwendung in einer Kapazltäts- oder Differenzkapazitäts-Me6schaltung, in welcher die Kapazität bzw. DifferenzlcapazitKt als Funktion des auf den Meßwertwandler ausgeübten Differenzdrucks genessen wird.

Meßwertwandler bzw. Meßfühler für Differenzdruckmessung sind bekannt. Wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 318 153 beschrieben« weisen diese Meßwertwandler, soweit sie zur Verwendung in einer Kapazltätsmeßschaltung vorgesehen sind, allgemein eine versohiebliche Platte in Form einer Membran auf, welche swel Druckkammern voneinander trennt, in denen jeweils eine stationäre Platte angeordnet ist. Bei einer Druckdifferenz zwischen den Kammern wird die Membran in Richtung auf die Kammer mit des niedrigeren Druck auegelenkt, wodurch die elektrischen Kapazitäten zwischen der Membran und den beiden stationären Platten verändert werden. Weitere Einzelheiten derartiger bekannter Differenzdruok-Meeftthler bzw. -meßwertwandler sind in

209812/0954

2H1021

der US-Patentschrift 3 271 669 beschrieben.

Diese herkömmlichen Anordnungen, bei welchen eine ebene Meßmembran durch eine Druckdifferenz ausgelenkt wird und eine Kapazitätsänderung bewirkt» haben den Nachteil, daß die Auslenkung kein« lineare Punktion dee Drucks bzw. Dirrerenzdrucke und ferner dl· Kapazitätsänderung auch keine linear· Funktion der Auslenkung 1st, wodurch, falls ein annähernd lineares Ansprechverhalten gewünscht wird, der Meßbereich auf äußerst kleine Auslenkungen beschränkt wird. Soweit bei den bekannten Anordnungen die Dicke der Membran gleichzeitig zur Kontrolle der Steifigkeit und damit der Auslenkung dient, muß die Membrandicke äußerst engen Toleranzen genügen. Außerdem muß das für die Meßmembran verwendete Material eine Federoharakteristik besitzen, um Hystereseerschelnungen und bleibende Verformungen bei Meßbereichsüberschreitungen möglichst klein zu halten.

Die Erfindung betrifft somit einen Dlfferenzdruok-MeefUhler bzw. -Meßwertwftndler, bei welchen der zu messende Differenzdruck In eine Kapazität«Änderung umgesetzt und diese in einer Kapaxitätsdifferenz-Meßschaltung gemessen wird.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung eines Meßfühlers bzw. eines Meßwertwandlers dieser Art zugrunde, bei welchem al· verachieblichta kapazitKtsbestiamendes Element nicht eine Meßaenbran dient und der daher nicht mit den vorstehend geschilderten Nachteilen der bekannten Anordnungen behaftet ist. Der Meßfühler bzw. Meßwertwandler genäd der Erfindung soll eine verbesserte Linearität und Reproduzierbarkeit der Messung gewährleisten; eine Beeinflussung der Messung durch Verformungen oder ungleichmäßige Durchbiegung einer dem Meßduroh ausgesetzten Mefimembran soll vermieden werden.

209812/0954

2H1021

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich ein Dlff@r@nssdyuck°M@ßftihler bzw. -meßwertwandler gemäß der Erfindung durch ein starres Gehäuse mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten und einem zu den beiden Stirnseiten parallelen inneren Hohlraum bzw* Innenkammer; einen die beiden Stirnseiten verbindenden und die Innenkammer durchsetzenden Kanal; eine an der 'einen Gehäuses timael te vorgesehenen und mit dieser entlang ihrem Umfang dicht schließend verbundene erste druckempfindliche Membran; eine an der anderen Gehäusestirnseite vorgesehene und mit dieser längs ihrem Umfang dicht schließend verbundene zweite druckempfindliche Membran; einen sich durch den Kanal erstreckenden und an seinen beiden Enden in Eingriff mit den beiden Membranen stehenden Stab, an dem eine in der Innenkammer angeordnet® bewegliche Platte be» festigt und mit ihm versohieblich ist; zwei in der Innenkammer gegenüber dem Gehäuse isoliert zu beiden Selten der versehiebllchen Platte und in Abstand von dieser' fest angeordnete stationäre Platten; sowie Anschlußeiltt©! sur Einschaltung der drei Platten in die Differ©n&kapazitlte~M©B§ehaltung₀ '

Bei dem erfihdungsgemäß &usg©Mld©t@o Diff©r@nsfeie&£«»M©IlftIhl©ff bzw. -meßwertwandler verschiebt sieh fe©i ©in@r Beaufschlagung, der beiden Membranen mit unterschiedlichen Brüsken d©r Stab, und mit dem Stab verschiebt sich dl© ^©racMeblich© Platte In Richtung auf die eine stationäre Platte zu und von der anderen stationären Platte weg, was eine Differenz der Kapazitäten zwischen der einen stationären Platte und der verschieblichen Platte einerseits und der anderen stationären Platte und der verschieblichen Platte andererseits zur Folge hat, die als Maß für den auf die Membranen einwirkenden Differenzdruck dient.

Falls eine Füllung der Innenräume des Meßfühlers mit einem Strömungsmittel erwünscht ist, kann gemlß einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen sein, daß das Gehäuse einen Einfüll-

209812/09S4

kanal zur Füllung des Gehäuseinnenraums zwischen den Membranen« Oehäusestirnselten, einschließlich dee sie verbindenden Kanals und der Innenkamraer mit einem Strömungsmittel aufweist.

Die stationären Platten können gegenüber dem Gehäuse und dem Stab isoliert sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, da3 der Stab an seinem einen Ende mit der entsprechenden Membran mittels einer Kappe in Eingriff steht, welche an einer federnd gegen die entsprechende Gehäusestirnseite anliegenden Feder befestigt ist. Dies kann in bestimmten Fällen von Vorteil sein, da die Feder zur Steifigkeit des Systems beiträgt. Auf diese Welse kann der Meßbereich des Meßwertwandlers durch einfache Änderung der Federn verändert werden.

Falls ein Einfüllkanal zur Füllung der Innenräume des Gehäuses mit einem Strömungsmittel vorgesehen ist, kann zweckmäßig ein Verschluß für den Slnfüllkanal vorgesehen sein.

Im folgenden wird ein Ausführungebeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; die einzige Zeichnungsfigur veranschaulicht einen Differenzdruok-Meßfühler gemäß einer Ausführungeform der Erfindung.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel eines Differenzdruckmeßfühlers gemäß der Erfindung weist ein als ganzes mit 10 bezeichnetes im wesentlichen starres Gehäuse auf. Das Gehäuse 10 kann eine beliebige Form besitzen; zweckmäßig 1st es zylindrisch ausgebildet. Es weist zwei.gegenüberliegende Stirnseiten 12 und 14 auf. In dem Gehäuse IO 1st ein zu den Stirnflächen 12 und 14 paralleler innerer Hohlraum bzw· Innenkammer 16 vorgesehen. Durch diese Innenkamraer 16 führt

2Q9812/0954

2H1021

ein die Stirnseiten 12 und 14 miteinander verbindender Kanal An der einen Stirnseite 12 1st eine erste druckempfindliche Membran 20 vorgesehen, und zwar mit Ausnahme des Umfange in geringem Abstand von der Stirnseite. Die Membran 20 1st entlang ihrem Umfang mit der Stirnseite 12 diohtschließend verbunden, etwa durch einen Klemmring 22, der beispielsweise mit der Stirnseite 12 verschwelet bzw. verlötet sein kann. An der anderen Stirnseite 14- 1st eine zweite druckempfindliche Membran 24 angeordnet, und zwar ebenfalls mit Ausnahme ihres Umfangsrands in geringem Abstand von der Stirnseite. Die Membran 24 ist entlang ihrem umfang in geeigneter Weise, beispielsweise mittels eines zweiten Klemmrings 26, der mit der Stirnseite 14 verschweißt oder verlötet sein kann, dichtschlieffendwlrfunJiSf^ite

Durch den Kanal 18 erstreckt sich ein Stab 28 von an sich beliebiger, vorzugsweise jedoch zylindrischer Form, der an seinen beiden Enden 30, 32 in Singriff mit einer Membran? beispielsweise den Membranen 20, 24, steht. WId In dem Ausführungsseil!el dargestellt, kann der Eingriff beispielsweise Mittels einer an dem Ende 32 der Stange 28 vorgesehenen Kappe 34 erfolgen. Auf das Ende 30 des Stabs 28 ist eine Kappe 36 aufgeschraubt, die vorzugsweise eine Feder 38 aufweisen kann, welche elastisch federnd gegen eine Ausnehmung 40 in der Stirnseite 12 anliegt* Im Bereich der Kammer 16 1st eine Hülse bzw. Buchse 42 aus einem isolierenden Werkstoff um den Stab 28 herum vorgesehen. In dem Hohlraum bzw. der Kammer 16 ist eine bewegliche Platte 44 angeordnet, die mittels der Buchse 42 an dem Stab 28 befestigt ist und sich mit diesem verstellen kann. In de« Hohlraum bzw. der Kammer 16 sind an deren gegenüberliegenden Hauptflachen in Abstand von der beweglichen Platte 44 zwei Stationlire Platten 46, 48 starr befestigt, beispielsweise mittels elektrischer Isolationen 50 und 52. Im gezeigten Aueführungsbeispiel sind die Platten 44, 46 und 48 sämtlich ebenflächig dargestellt; jedoch können in bestimmten Füllen die eine oder die andere Platte

2 0 9812/0954

oder sämtliche Platten nicht-planar ausgebildet sein, um eine spezielle Kennlinie der Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Verschiebung zu erzielen. Die Lage des Endes j50 des Stabs 28 kann vermittels des Schraubgewinde8 bezüglich der Feder 38 einstellbar veränderlich sein» um die Lage der beweglichen Platte 44 bftEtlgUch der stationären Platten 46, 48 beim Dlfferenzdruok RuIl einstellen zu können. Zur Einschaltung der drei Platten 44, 46 und 48 in eine (nicht dargestellte) Kapazitätsmeßsohaltung sind elektrische Anschlußlaitungen 54, 56 und 58 vorgesehen. Biese drei elektrischen Anschlußleitungen 54, 56 und 58 sind aus dem Gehäuse IO durch einen Kanal 60 und ein elektrisches Anschlußstück 62 herausgeführt. Ein mit dem Gehäuse 10 verschraubter Stopfen 64 dient zur Halterung des Anachlußteils 62 gegen Innendruck und gewährleistet mittels eines Dichtungsringe 66 einen dichten Abschluß zwischen dem Anschlußteil 62 und dem Gehäuse 10.

Mittels eines in dem Gehäuse 10 vorgesehenen Einfüllkanals 68 kann der Innenraum des Gehäuses, d.h. der Raum zwischen den Membranen 20 und 24 und den Stirnseiten 12 und 14, einschließlich de« Kanals 18 (und des Kanals 60, soweit vorhanden) sowie der Kammer 16, mit einem geeigneten Strömungsmittel wie beispielsweise Isolieröl gefüllt werden. Vorzugswelse wird ein im wesentlichen nioht-kompressibles Strömungsmittel mit den gewünschten elektrischen Isolier- und elektrischen Eigenschaften und der gewünschten Dämpfungscharakteristik verwendet. Nach der Füllung des Innenraums des Gehäuses 10 kann der Einfüllkanal 68 in geeigneter Welse, beispielsweise mittels einer in die Mündungsöffnung des Kanals 68 eingeloteten Kugel 70, verschlossen werden.

Der erflndungsgemäße Meßfühler kann an eine beliebige geeignete Differenz-Kapazitätsmeßschaltung angeschlossen werden. Beispiele für derartige Xapazitätsmefiaohaltungen sind in den eingangs erwähnten beiden US-Patentschriften 3 318 153 und 3 271669 be-

209812/0954

schrieben. Die Wirkungswelse des In dieser Welse an eine Kapazitätsraeß3Chaltung angeschlossenen Meßfühlers ist wie folgt: Bei einer Differenz der auf die beiden Membranen SO und 24 wirkenden Drucke werden die Membranen in Richtung auf den Bereich niedrigeren Drucks ausgelenkt. Diese Verschiebung der Membranen ihrerseits bewirkt eine Verstellung des Stabs 28 und damit der beweglichen Platte 44. Diese bewegliche Platte 44 verschiebt sich somit in Richtung auf eine der stationären Platten« beispielsweise auf die Platte 48« und von der anderen stationären Platte, beispielsweise der Platte 46, weg« Hierdurch ändern sioh die elektrischen Kapazitäten zwischen der versohlebllohen Platte 44 und den beiden stationären Platten 46 und 48. Mit anderen Worten: Bs kommt zu einer Kapazitätsdifferenz zwischen der stationären Platte 48 und der versohiebllchsn Platte 44 einerseits und der stationären Platte 46 und der verechieblichen Platte 44 andererseits. Diese Kapazitätsdifferenz ist ein Maß für die auf die Membranen 20 und 24 wirkende Druckdifferenz. Falle eine Änderung der Steifigkeit, d.ho des Meßbereichs des Meßfühlers, erwünscht ist, läßt sich dies, wenn eine Feder 38 vorgesehen ist, in einfaches» Weig© ünv®h Inderimg der Feder 38 bewerkstelligen.

Sin Sohutz gegen Meßbereiohsübersehreltung läßt sieh durch die miteinander zusammenwirkenden und einander angepaßten Profile der Stirnseiten 12 bzw. 14 und der ihnen zugeordneten Membranen 20 bzw. 24, sowie auch mittels Schultern 72 und 74, gegenweiche die Kappen 36 und 34 zur Anlage kommen können, gewährleisten. Falls beispielsweise die Membran 20 dem höheren Druck ausgesetzt 1st,, kommt sie bei einer vorgegebenen Überlastung zur Anlage gegen die Stirnseite 12. Gleichzeitig kommt die Kappe 36 zum Anschlag gegen die Schulter 72. Damit kann kein weiterer (Differenz-) Druck in das System übertragen werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines speziellen Ausführungsbeiepiele beschrieben, das selbstverständlich in Einzelheiten ab-

209812/0954

2U1021

gewandelt werden kann« ohne daß hierdurch der Rahmen der findung verlassen wird«

Patentansprüche >

209812/095A

Claims (6)

13 3Ί* - Η/Νβ

Pafcentansp-rü©

Differenzdruek-Meßfttnl©!⁵ tew«

messende Bifferenzdruek

und diese in einer

wird, gekenn-zei

haus® (10) rait zwei geg@nüb@rli@g©iid©ja Stirnseiten (12* und einem zu öen te©id®& Stims@it@a ρϋχ³©!!©!©^ i^s©s?esi

(12, 14)verbindenden vmn. die

den Kesal (18)| eine an ä@s? ©in@n Öehl^isssfeiimseiti! (12) vorgesehene und mit öieser entlang ita« Utafaag diofet sehli@ieüd verbundene ergfe© druekeatpfiodllohe ein© ©a dez» anderen

mit dieser lEnga

zweite druckesipfindliQh©

den Kanal (18) erstreckende

(30, 34) in Eingriff mit dan beiden Mentaranen (ί stehenden Stab (28), an desa eine In angeordnete bewegliche Pl&tte (44) befestigt und mit Um verschieblioh ist; zwei in der Imitnkaaüier (16) gegenüber dem aehäuöft isoliert zu beiden Seiten-dey ¥®re@hiebliehen Platte (44) und in Abstand von dieser fest angeordnet© stationäre Platten (46_£ 48); sowie ÄnschluSmittel (54, §6, 58, 6f, 64) zur Einschaltung der drei Platten (44, 46, 48) in die Dlfferenzkapazit&ts-MeSseheltungo

2. Meßfühler bzw. Meßwertw&ndl©?⁸ ß®oh

gekennzeichnet _t daß das @©hiu@© (1©) ©inen Einfüllkanal (68) zur PIHIiMg de©
den ,

2OS812/0SS4

verbindenden Kanals (18) und der Innenkammer (16) mit einem Strömungsmittel aufweist.

3. Meßfühler bzw. Meßwertwandler nach Anspruch 1 oder 1 gekennzeichnet durch eine Isolation (42) zwischen der versohlebllohen Platte (44) einerseits und dta Stab (28) und OehKuse (io) andererseits.

4. Meßfühler bzw. Meßwertwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Stab (28) an seinem einen Ende (30) mit der entsprechenden Membran (20) mittels einer Kappe (36) in Eingriff steht, welche an einer federnd gegen die entsprechende Gehäuses tinsel te (40) anliegenden Feder (38) befestigt ist.

5. Meßfühler bzw. Meßwertwandl©r nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze lehne t , daß die Membranen (20, 24} außer an ihren eingespannten Umfangsrändern in einem geringfügigen Abstand von den mit einem dem Membranprofil angepaßten Profil ausgebildeten entsprechenden Oehäusestirnseiten (12, 14) angeordnet sind, derart, daß die Membranen bei einem νorgegebenen Differenzdruck zum Zweck der Sicherung vor einer MeßbereiohsUberschreltung zur Anlage gegen die entsprechende Gehäusestiraseite gelangen.

6. MtSfUhIer bzw. Meßwertwandler nach Anspruch 2, g e k β η η zeichnet durch eine Versenkvorrichtung (70) für den Einfüllkanal (68).

7* Meßfühler bzw. Meßwertwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Ende (30) des Stabs (28) in seiner Lage bezüglich der Feder (38) einstellbar verKnderlioh ist, um eine Justierung der verschieblichen Platt· (44) gegenüber den stationären Platten (46, 48) zu ermöglichen.

209812/0954