DE2161225A1 - Diflerentialdruckgeber - Google Patents

Description

Rudolf Busselmeier

Dipl.-Ing.

'RolfCharrier Augsburg, 7- Dezember 1971

Patentanwalt·

Aufibuff 31 · Rthllnc«nitraJ· β Postfach 242

M U η c h t η Nr. MS 39

5888/01/Ch/gn

PATENTANMELDUNG

KENT INSTRUMENTS LIMITED

Biscot Road,

Lu ton

Bedfordshire, England

Differentialdruckgeber

Die Erfindung betrifft einen Differentialdruckgeber, insbesondere zur Messung von Unterschieden des Flüssigkeitsdrucke zweier Flüssigkeiten, beispielsweise bei der Messung von Flüssigkeitsströmungen. Die grundsätzliche Funktion des Gebers besteht darin, relativ geringe Unterschiede zwischen zwei Flüssigkeitsdrücken in ein mechanisches, pneumatisches oder elektrisches Signal umzuformen. Dieses erzeugte Signal dient der Anzeige, Aufzeichnung, Steuern und Regeln von Geräten und Arbeicsabläufen.

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Häufig ist die Differenz zweier Drücke, die gemessen werden soll, relativ klein in Bezug auf den statischen Druck. Beispielsweise ist das maximale Ausgangssignal des Gebers vorhanden bei einer Druckdifferenz von etwa 5OO mm WS bei einem absoluten Flüssigkeitsdruck von mehreren 10 000 at.

Ein Erfordernis, das an derartige Geber zu stellen ^ ist, besteht darin, daß dieser Geber den hohen statischen Druck an jeder Seite aushält, ohne daß irgendwelche Beschädigungen oder eine Veränderung der Meßgenauigkeit bewirkt werden.

Die meisten bekannten Geber weisen zwei flexible Teile in.Form von Membrankapeeln oder Faltenbälgen auf« deren offene Enden miteinander verbunden sind. Die Verbindung wird durch eine Wandung bewirkt, wodurch sich zwei Kammern bilden, die die flexiblen Teile umgeben. Diese Kammern stehen unter dem zu messenden Druck. Beispielsweise liegt ein Flüssigkeitsdruck an der Außenseite eines der flexiblen Teile und ein Flüssigkeits-P druck wirkt auf die Außenseite des anderen flexiblen' Teils. Die geschlossenen Enden der Kapseln oder Bälge können über eine starre Achse miteinander verbunden sein. Die von den beiden flexiblen Teilen gebildete Kammer, durch welche die starre Verbindungsachse hindurchgeht, ist mit einer im wesentlichen nicht komprimier bar en Flüssigkeit gefüllt.

Falls einer der Drücke in einer der Außenkammern relativ zum Druck in der anderen Außenkammer ansteigt, dann bewegen sich die flexiblen Teile zusammen infolge eines Zusammendrücken« des flexiblen Teils in der Kammer höheren Drucks. Das flexible Teil in der Kammer

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niedereren Drucks dehnt sich dagegen aus. Diese Bewegung oder Kraft betätigt einen Umformer, der ein pneumatisches, mechanisches oder elektrisches Ausgangesignal abgibt.

Ee sind Ausführungsformen bekannt, die Maßnahmen zum Schütze vor Überdrücken aufweisen. Diese Maßnahmen bestehen darin, daß die Verbindungsachse, welche die beiden flexiblen Teile miteinander verbindet, ein Ventilteil aufweist, das so angeordnet ist, daß es in Eingriff kommt mit einem feststehenden Ventilsitz, wenn der Druck auf einer Seite zu hoch wird. Hierdurch wird verhindert, daß die nichtkomprimierbare Füllflüssigkeit in der Hochdruckseite in die Niederdruckseite wandert und evtl. zu einem Bruch dee Systems führt. Die ein bestimmtes Maß übersteigende Druckdifferenz wird durch die Sitze des Überdruckventils aufgenommen.

Bei einer anderen Ausführungsform sind die Membranen oder Membrankapseln so geformt, daß sie bei einer übermäßigen Verschiebung auf Flächen aufsitzen und "somit die nichtkomprimierbare Füllflüssigkeit von dem hochdruckseitigen flexiblen,Teil abschließen. Somit wird verhindert, daß sich ein hoher Druck in Richtung auf das niederdruckseitige flexible Teil aufbaut. Bei dieser Aueführungsform wird der zu hohe Druck aufgenommen von der Fläche, auf welcher die Membrankapsel aufsitzt.

Diese bekannten Ausführungsformen haben sich als befriedigend erwiesen und genügen den Erfordernissen beim Auftreten von zu hohen Drücken bzw. Druckdifferenzen. Das Volumen der nicht kornprimierbaren Flüssigkeit kann sich jedoch mit der Umgebungstemperatur ver-

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ändern. Geringfügige Volumenänderungen der im we-, sentlichen nichtkomprimierbaren Flüssigkeit bewirken jedoch sehr starke Druckänderungen, wobei derartige Änderungen im Füllvolumen das Meßsystem beeinflußen, wenn die wirksamen Flächen der beiden flexiblen Teile nicht identisch sind. Es müssen deshalb Anordnungen vorgesehen werden, damit eine Änderung des Volumens der Füllflüssigkeit zu keinem Anstieg der Druckdifferenz zwischen der FülX-P flüssigkeit und den Druckkammern führt. Dies kann teilweise dadurch erreicht werden, daß eine zusätzliche Membran vorgesehen ist, die mit einem der Hauptmeßbälge verbunden ist, so daß bei Änderungen des Püllvolumens geringfügige Druckänderungen ausgeglichen werden können.

In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig und teuer, zwei Membranen, Membrankapβein oder Faltenbälge herzustellen, welche gleich große effektive Flächen aufweisen. Die vorliegende Erfindung hat eich zur Aufgabe gesetzt, eine Anordnung zu treffen, bei t welcher diese Flächenunterschiede ohne Einfluß sind. Gleichseitig sollte eine Justiermöglichkeit vorgesehen sein, durch welche Fehler infolge einer Änderung des Füllvolumens und des Unterschiedes der wirksamen Flächen auf Null reduziert werden können.

Der vorstehend und nachfolgend verwendete Ausdruck "Membran" umfaßt einfache Membranen, Membrankapseln, sowie Faltenbälge, es sei denn, daß ausdrücklich etwas anderes angezeigt ist.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt der Differentialdruckgeber zwei Membranen mit Außenflächen, die in Richtung der Kammern zeigen, in welchen verschiedene Drücke herrschen. Die Innenflächen der Membranen zeigen in Richtung einer Kammer zwischen den Membranen, wobei diese Kammer mit einer im wesentlichen nichtkomprimierbaren Flüssigkeit gefüllt ist. In dieser Kammer ist ein bewegliches Geberelement angeordnet, welches mit den beiden Membranen über federelastische Mittel verbunden ist. Eine Veränderung des Druckes zwischen den beiden Druckkammern bewirkt, daß das Geberelement sich in Richtung auf oder weg von einer der Kammern bewegt. Diese Bewegung wird erfaßt und in ein Signal umgeformt. Eine Bewegung beider Membranen weg von dem Geberelement infolge einer Ausdehnung der nichtkomprimierbaren Flüssigkeit bewirkt jedoch lediglich eine Verlängerung der federelastischen Mittel ohne eine Bewegung des Geberelements relativ zum Umformer. Somit ist es möglich, daß die federelastischen Mittel, die das bewegliche Geberelement mit den beiden Membranen verbinden, bezüglich der zugehörigen Membran, entsprechend der effektiven Membranfläche eingestellt werden können. Diese Einstellung der Federelemente an jeder Seite des Geberelements bewirkt keine Ortsveränderung des Geberelements·

Die Federelemente können aus einem oder mehreren Zugfedern bestehen, wobei bei Verwendung einer Feder das Geberelement in der Mitte der Feder oder bei Verwendung von zwei Federn zwischen den Federn angeordnet ist. Es ist hierbei möglich, diese Feder oder eine der Federn oder beide Federn einstellen zu können, wodurch die vorerwähnte gewünschte Einstellmöglichkeit

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gegeben ist· Dieses Ende oder mindestens ein Ende dieser Federn, welches vom Geber .element abgewandt ist, steht in Verbindung mit einem Schraubelement, das verbunden: ist mit der Membran. Eine Drehung des Schraubelements bewirkt eine Veränderung der Vorspannung der Feder.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Membranen die Form eines Faltenbalgs, wo-P bei jeweils das äußere Ende des Schraubteiles eingeschraubt ist in eine Bohrung eines vom Faltenbalg getragenen Kolbens.

Die Einstellung der Federn sollte hierbei so getroffen sein, daß das Verhältnis der Federkennlinien an Jeder Seite des Befestigungspunktes, d.h. an jeder Seite des Geberelements, umgekehrt proportional ist im Verhältnis der effektiven Flächen der Membranen. Bei dieser Einstellung bewirkt eine Änderung des Füllvolumens der nichtkomprimierbaren Flüssigkeit, daß beide Membranen sich nach auswärts bewegen und die Verk bindungsfeder bzw. die Verbindungsfedern gespannt werden, wobei jedoch das Geberelement seine Stellung nicht verändert■ Bei einer Änderung der Druckdifferenz zwischen den beiden zu messenden Drücken bewegt sich das gesamte System weg von der Kammer hohen Druckes, d.h., das Geberelement verschiebt sich und verursacht im Geber ein entsprechendes Signal.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Geber ein Überdruckventil auf, das verhindert, daß die nichtkomprimierbare Füllflüssigkeit von der Seite hohen Druckes der Kammer zwischen den beiden Membranen in die Seiten geringen Druckes eindringt,

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wenn ein übermäßig hoher Druck herrscht.

Jede Membran ist mit einem Ventilteil versehen, welches gegen einen Ventilsitz zum Anliegen kommt, wenn die zugehörige Membran sich um einen bestimmten Betrag in Richtung auf die andere Membran bewegt· Vorzugsweise dienen hierbei die Kolben als Ventilteile der Überdruckventile. Herrscht also in einer der Kammern ein zu hoher Druck, dann wird die Membran mit dem zugehörigen Kolben in Richtung auf die andere Membran bewegt, wobei letztlich der Kolben in Berührung mit dem stationären Teil der Überdruckventils kommt. Auf diese Weise wird die Kammer zwischen den beiden Membranen abgeschlossen gegenüber der Meßkamraer, in welcher ein zu hoher Druck herrecht«

Gemäß einem bevorzugten Aueführungsbeispiel besteht das Geberelement aus einem massiven Metallanker, der als bewegliches Teil eines linear beweglichen, variablen Differentialtransformators dient· Alternativ hierzu kann das Geberelement Teil eines elektrischen Kondensators sein. Es ist auch möglich, daß dieses Geberelement Teil einer Meßvorrichtung zum Messen einer-mechanischen Spannung darstellt«

Ein Aueführungebeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Differentialdruckgeber ein bewegliches Geberelement in Form eines massiven Metallankers 1 auf, welches in einem dichten Gehäuse 2 untergebracht ist. Dieses Gehäuse 2 weist eine koaxiale Bohrung 3 auf, die sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt und in der der Anker 1 angeordnet ist. Die Bohrung 3 wird von Transformatorwindungen 4 umgeben. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß der Anker 1 als bewegliches Teil des linearen, variablen Differentialtransformators dient, der mit einer geeigneten elektronischen Schaltung zusammenarbeitet, wobei die Ortveränderung des Ankers 1 relativ zu den Transformatorwindungen in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Mit jedem Ende des Gehäuses ist ein ähnliches Gehäuse 5,6 verbunden, wobei jedes Gehäuse 5» 6 eine Kammer 5a, 6a besitzt. Diese Kammern umgeben die.Bohrung 3 dort, wo sie aus dem Gehäuse 2 austritt. Die Gehäuse 5_t6 besitzen jeweils eine Eintrittsöffnung 7· Diese Eintrittsöffnungen 7 sind jeweils an eine unter Druck stehende Flüssigkeit angeschlossen, d.h., an ein Flüssigkeitssystem, bei dem der Differenzdruck zu messen ist. Jede Kammer 5a» 6a zeigt eine längliche Rohrform und enthält ein flexibles Teil in Form eines Faltenbalgs 8, der jeweils innen mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Jeder Faltenbalg 8 hat an seinem äußeren Ende eine Öffnung 10, die mit einer Gewindebohrung 11 fluchtet. Innerhalb der Bohrung 11 und somit innerhalb des Faltenbalgs 8 befindet sich ein Kolben 11a.

Mit jedem Ende des Ankers 1 ist eine Feder 12 verbunden, deren anderes Ende mit einem Stab 13 verbunden ist, der frei durch einen Kanal 14 hindurchgeht. Der

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Kanal lk befindet sich in einem einstellbaren Flansch l4a, der verschraubt ist mit dem Gehäuse Das äußere Ende des Stabs 13 weist einen Gewindekopf 15 auf, der verschraubt ist mit der Gewindebohrung 11, Der Schraubkopf 15 kann mittels des Schlitzes l6 gedreht werden, so daß bei einer Drehung die Federkraft einstellbar ist· Der Schraubkopf kann in seiner eingestellten Lage in der Bohrung 11 mit Hilfe einer Stellschraube I7 festgelegt werden, die also als Konterschraube dient. Geeignete Ringdichtungen l8 sind vorgesehen in einem oder beiden Gewindeteilen, um eine Abdichtung zu erreichen.

Die Teile der Druckkammer, die innerhalb der Membranen und der ringförmigen Kammer, welche die unnachgiebigen Stäbe 13 und den Anker 2 umgibt, stehen alle untereinander in Verbindung "und sind gefüllt mit einer geeigneten, nicht zusammenpreßbaren Flüssigkeit, damit sich der Druck in diesen Räumen ausgleichen kann«

Das andere Ende des Flansche l4a trägt eine Rindichtung 19, die so angeordnet ist, daß das innere Ende des Kolbens lla mit ihr zusammenwirken kann, so daß ein Flüssigkeitsdurchlaß von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite verhindert wird. Ein derartiger Flüssigkeitsdurchlaß würde für die Niederdruckfaltenbalge schädlich sein, wenn der Druck zu hoch werden würde. Das Ende des Kolbens wirkt so-

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mit als Teil eines Ventils und die Ringdichtung 19 wirkt als Sitz eines Überdruckventils _t wobei eine derartige Anordnung an jedem Kolbenteil 11 vorgesehen ist.

Der Anker 1 dient als verschieblich.es Meßteil des Gebers. Seine Ortsveränderung, beziehungsweise die auf

P ihn wirkende Kraft wird erzeugt vom Meßsystem und die Lag ever änderung bzw. die wirkende Kraft wird vom Geber umgewandelt in ein Ausgangssignal. Der Anker 1 ist angeschlossen zwischen den Federn 12 und diese Federn sind so eingestellt, daß das Verhältnis der Federvorspannungen umgekehrt proportional dem Verhältnis der wirksamen Flächen der Faltenbälge ist. Mit dieser Anordnung bewirkt jede Änderung des Volumens der Flüssigkeitsfüllung, daß die beiden Faltenbälge sich nach außen ausdehnen und die Verbindungsfedern 12 spannen. Hierbei bleibt jedoch die Lage des Ankers 1 relativ zu den Spulenwindungen und dem Gehäuse 2 unverändert. Irgendwelche Änderungen der Dif-

fc ferenz zwischen den beiden zu messenden Drücken in den Kammern 5a und 6a bewirkt jedoch eine Bewegung des Meßsystems weg von der Kammer hohen Drucks und die hierbei bewirkte Ortsveränderung des Ankers 1 wird vom Geber umgeformt in ein Ausgangssignal.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist nur eine der Federn verstellbar, während der andere Stab 13 befestigt ist im Kolbenteil lla, welches innerhalb des Faltenbalgs angeordnet ist.

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Weiterhin können die Überdruckventile ersetzt sein durch flexible Teile, die selbstabdichtende Eigenschaften aufweisen.

Der Umformer selbst kann anstelle eines Induktivumformers ein Umformer sein, der auf kapazitive Änderungen anspricht. Dieser Geber kann auch als Meßvorrichtung ausgebildet sein, mit welcher eine mechanische Spannung gemessen wird, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß eine Bewegung der Mitte der Kompensationsfedern verhindert wird. Die Vorrichtung kann auch einen Permanentmagneten aufweisen, der durch eine relativ dünne Wandung hindurchwirkt, so daß seine Bewegung oder die auf ihn-wirkende Kraft des Zentrums der Verbindungspunkte der Federn außerhalb der Druckkammer abgreifbar ist und beispielsweise in ein pneumatisches Signal umgewandelt wird.

Bei einer Verdrehung des Gewindekopfes 15 greift der Stab 13 mehr oder weniger in die Verbindungsfeder 12 ein, deren aktive Länge somit veränderbar ist. Diese aktive Federlänge ist also der wirksamen Fläche des zugehörigen Faltenbalgs 8 anpassbar. Bei einer Verstellung des Gewindekopfes I5 kann auch unter bestimmten Bedingungen erreicht werden, daß durch ein geringfügiges Dehnen bzw. Zusammendrücken der Faltenbälge 8 deren wirksame Flächen sich ändern, was jedoch abhängig ist von der Steifigkeit der Verbindungefedern 12.

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Claims (1)

1. 5888/Ol/Ch/gn - 12 - 7· Dezember 1971

   ANSPRÜCHE

   ( !»jDifferentialdruckgeber, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Membranen aufweist, deren äußere Flächen Kammern zugewandt sind, in welchen verschiedene Drücke herrschen und die inneren Flächen der Membranen einer Kammer zwischen den Membranen zugewandt sind, welche mit einer im wesentlichen nichtkomprimierbaren Flüssigkeit gefüllt ist und ein bewegliches Geberelement Mit den beiden Membranen über federelastisch« Mittel verbunden ist·

   2· Geber nach Anspruch 1, dadurch g eic ennz ei c hn e t, daß die federelastischen Mittel aus einer oder mehreren Zugfedern bestehen und das Geberelement in der Mitte der Feder oder zwischen den Fe-W dern angeordnet ist·

   3» Geber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder bzw· die Federn voa Geberelement zu den Zentren der Membranen verlaufen·

   k· Geber nach Anspruch 1 bis 3t dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die Federvorspannung mindestens an einer Seite des Geberelements einstellbar ist·

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   5· Geber nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einem dem Geberelement abgewandten Ende einer Feder ein Schraubteil vorgesehen ist, das mit der Membran verbunden ist·

   6. Geber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen aus Faltenbälgen bestehen, und das äußere Ende des Schraubteils in Schraubverbindung steht mit einer Bohrung in einem Kolben, der von einem der Faltenbälge getragen wird.

   7· Geber nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Überdruckventil vorgesehen ist, das einen Flüssigkeitsdurchlaß von der Hochdruckseite der Kammer zwischen den Membranen zu der Niederdruckseite verhindert bei Auftreten eines zu hohen Drucks·

   8· Geber nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß Jede Membran mit einem Ventil versehen ist, welches sich gegen ein Ventil-

   '". teil anlegt bei einer bestimmten Bewegung der Membran in Richtur^auf die andere Membran·

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   9· Geber nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Membranen mit Kolben versehen sind, die als Ventilteile eines Überdruckventils dienen·

   10· Geber nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 91 dadurch g eic en η ζ eic h η e t, daß das .Geberelement aus einem Metallanker besteht, das als bewegliches Teil eines linear beweglichen variablen Oifferentialumformers wirkt.

   11· Geber nach Anspruch 1 bis 9« dadurch gekennzeichnet, daß das Geberelement Teil eines elektrischen Kondensators oder Teil einer Meßeinrichtung zum Messen einer mechanischen Spannung ist·

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