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Vorrichtung zum Umsetzen kleiner Differensdrücke in ein dem Differenzdruck
proportionales Gleichstromsignal Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umsetzen
kleiner DifferenzdrUcke in ein dem Differenzdruck proportionales analoges Gleichstromsignal
mit Hilfe weier miteinander verkoppelter Membranen und einer elektrischen Wegmeßeinrichtung.
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3ei elastischen Druckmessern mit Membranen wird die Durchbiegung einer
Membran gemessen, die durch die elastische Kraft begrenzt ist, die dem zu messenden
Druck entgegengesetst ist. Als Maß für den Druck ergibt sich eine Größe, die einer
Länge proportional ist.
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Schon die Erzeugung, die Weiterverarbeitung und die Übertragung einer
solchen analogen Größe sind in der Regel mit einer Reihe von Fehlern behaftet, die
sich bei genauen Messungen störend bemerkbar machen. Diese Fehler können verringert
werden, wenn mechanische Übertragungseinrichtungen vermieden werden und statt dessen
der Weg, den das freie Ende des elastischen Meßgliedes unter Druck zuräcklegt, mit
Hilfe eines elektrischen Meßverfahrens bestimmt wird. Solche Vorrichtungen zum Messen
von Drücken und
Differenzdrücken auf elektrischem Weg sind in zahlreichen
Ausführungsformen bekannt.
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Eine weitere Fehlerquelle liegt aber außerdem in der Temperaturabhängigkeit
des Elastizitätsmoduls des Membranwerkstoffes.
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Im Bereich zwischen den Temperaturen Ti und T2 (T2 Ti) kann der Elastizitätsmodul
mit folgender Gleichung beschrieben werden:
ß1 = mittlerer Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls (z.B. für V2A-Stahl
= - 43 . 10-5/°c).
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Der Hub einer Membran läßt sich mit folgender Gleichung beschreiben:
# =Poissonsche Zahl p = Druck R = Membraneinspannradius E = Elastizitätsmodul h
= Membrandicke f t Hub der Membran
Hieraus ergibt sich, daß der
Hub f mit abnehmendem Elastizitätsmodul E bei Temperaturanstieg größer wird. In
Fig. 1 ist der prosentuale Hubfehler Je einer Membran aus V4A-Stahl und Thermeläst
bei konstantem Druck und steigender Temperatur dargestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elastizitätsverringerung
von Membranwerkstoffen bei steigender Temperatur zu kompensieren und den darauf
beruhenden Meßfehler aus zus chalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,-daB zwischen den
beiden gekoppelten Membranen eine Füllflüssigkeit eingebracht ist und daß beide
Membranen eine solche Formgebung aufweisen, daß die bei einer Erwärmung des Membransystems
verringerte Steifigkeit des Membranwerkstoffes durch eine Verformung der Membranen
durch die mit der Erwärmung verbundene Volumenvergrößerung der Füllflüssigkeit kompensiert
wird.
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Da es sich bei der Vorrichtung nach der Erfindung um ein geschlossenes
System mit konstantem Füllflüssigkeitsvolumen handelt, wird die Flüssigkeitsausdehnung
bei Temperaturerhöhung dazu benutzt, Zugspannungen im Membranmaterial hervorzurufen.
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Die Flüssigkeitsausdehnung beträgt = = VI . 2-. dt
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= mittlerer Raumausdehnungskoeffizient der Füllflüssigkeit Um durch den Druck der
Füllflüssigkeit bei Volumenvergrößerung versteift werden zu können, weisen die beiden
Membranen nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung einen wellenförmigen Querschnitt
auf, wobei sie mit ihrem Wellenprofil gegensinnig zueinander angeordnet sind.
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Eine Zunahme des Füllflüssigkeitsvolumens bei Erwärmung bewirkt in
eine ZugspannungXden frei beweglichen Membranwellen; diese den schon vorhandenen
Biegespannungen im Membranmaterial überlagerten Zugspannungen bewirken eine Versteifung
der Membranen.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die elektrische Wegmeßeinfl?htung
zwischen beiden Membranen angeordnet.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile zeigen sich insbesondere
bei der Druckmessung aggressiver Medien. Hier werden wegen ihrer Beständigkeit gegen
aggressive Medien Membranen aus nichtrostendem Stahl eingesetzt, die jedoch infolge
des thermoelastischen Effektes (vgl. Fig. 1) zu ungenauen Meßergebnissen bei Temperaturanstieg
führen.
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Eine Verbesserung bringen Membranen aus Werkstoffen, deren Elastizitätsverhalten
durch Temperatursteigerungen nicht beeinflußt wird, z.B. NiSpanC oder Thermelast
(vgl. Fig. 1).
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Diese Membranen sind jedoch nur bedingt bei aggressiven Medien einsetzbar;
sie müssen unter Umständen durch gesonderte Trennmembranen vor dem zu messenden
Medium geschützt werden.
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Für den Niederdruckbereich läßt sich-dieses System aber nur schwer
verwirklichen, da sich die Federsteifigkeit, d.h.
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das Verhältnis von Druck pro Hubeinheit, nicht beliebig verringern
läßt. Dünnere Trennmembranen bringen keine sichere Trennung des Meßmediums von der
elektrischen Abtasteinheit, da diese Membranen sehr schnell von aggressiven Medien
zerstört werden. Eine Vergrößesung des Membrandurchmessers führt zu unförmigen Meßumformern.
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Der Vorteil des Membransystems nach der Erfindung ist also einmal,
daß eine Verminderung der Elastizität des Membranwerkstoffes bei Erwärmung kompensiert
werden kann, zum anderen aber auch, daß mit der Erfindung ein Membransystem zur
Druck messung aggressiver Medien gegeben ist, bei dem auf Trennmembranen verzichtet
werden kann.
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Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist, daß durch
die gegensinnige Kopplung der beiden Membranen eine teilweise Kompensation der Linearitätsfehler
der einzelnen Membranen erreicht werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden an Hand der weiteren Fig.
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2 - 4 näher beschrieben.
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Fig. 2 zeigt das Membransystem nach der Erfindung mit.swei gekoppelten
Membranen und der elektrischen Abtasteinheit zwischen beiden Membranen
Fig.
3 zeigt die Änderung der Nembransteifigkeit als Funktion der Volumenänderung der
Füllflüssigkeit bei unterschiedlicher Anordnung der Hauptwelle der Membranen Fig.
4 zeigt die prozentuale Hubänderung von V4A-Membranen als Funktion des thermoelastischenEffektes
und als Funktion der Volumenvergrößerung der Füllflüssigkeit Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Niederdruckdifferenzumformer handelt es sich um ein DifferenzdruckmeBgerät für Meßbereiche
bis ca. 500 mm Wassersäule, wobei Druckmessungen bis zu diesem Meßbereich möglich
sind, wenn der eine Druckraum mit dem Luftdruck in Verbindung steht. Der statische
Druck darf dabei 1 kp/cm2 (ND1) betragen. Die über die Druckanschlüsse 3 und 4 auf
die Membranen 1 und 2 übertragenen Druckänderungen des zu messenden Mediums bewirken
einen Hub der über den Bolzen 5 miteinander verkoppelten Membranen 1 und 2. Der
sich mit der Hubänderung der Membranen 1- und 2 bewegende Bolzen 5 bewirkt eine
Verschiebung der an dem Bolzen 5 befestigten Platte 6 zwischen den Spulen 7 der
elektrischen Abtasteinheit 8, wodurch die Induktivität der beiden Spulen 7 verstimmt
wird.
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Über einen Verstärker wird ein Druck-proportionales Ausgangssignal
von 0 - 20 mA bzw. 4 - 20 mA erzeugt.
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Das in Fig. 2 dargestellte Membransystem ist durch folgende Größenverhältnisse
charakterisiert:
Membraneinspannradius = 30 mm Membrandicke = 0,05
mm mittlere Höhe der Hauptwellen 11 und 22 = 0,5 mm Volumen der Füllflüssigkeit
9 (Silikonöl bei Raumtemperatur) = 1,2 ml Der thermoelastische Effekt des Membranwerkstoffes
der Membranen 1 und 2 wird auf folgende Weise kompensiert: Bei Temperaturanstieg
dehnt sich die zwischen den Membranen 1 und 2 befindliche Fuliflüssigkeit 9 aus
und verformt die gekoppelten Membranen 1 und-2.
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Die Verformung der Membranen 1 und 2 und damit die Ausbiegung der
Hauptwellen 11 und 22 bzw. die Änderung der Membransteifigkeit als Funktion der
Volumenänderung der Füllflüssigkeit 9 ist in Fig. 3 dargestellt.
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Wie gut der thermoeiastische Effekt des Membranmaterials durch die
Volumenänderung der Füllflüssigkeit beeinflußt werden kann, ist aus dem Diagramm
der Fig. 4 ersichtlich. Die Kurve 1 zeigt die prozentuale Hubänderung einer gewellten
V4A-Mewbran infolge des thermoelastischen Effektes, die Kurven 2a bis 2c die prozentuale
Hubänderung unter Berücksichtigung der Büllflüssigkeitsausdehnung bei gekoppelten,
gewellten Membransystemen aus V4A-Stahl als Funktion der Temperatur.
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Patentansprüche