DE2261664A1

DE2261664A1 - Differenzdruck-messumformer

Info

Publication number: DE2261664A1
Application number: DE19722261664
Authority: DE
Inventors: Carl Raymond Brandt; Jun Lester R Leody; John A Weaver
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1971-12-21
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1973-07-05
Also published as: US3712143A; DE2261664B2; DE2261664C3; GB1363208A; JPS4871687A; FR2165618A5; IT974113B; CA971386A; JPS5228671B2

Description

04-3741 Ge 15. Dezember 19 72

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Differenzdruck-Meßumformer

Die Erfindung bezieht sich auf Differenzdruck-Meßumformer mit einem an einer inneren Trennwand seines Gehäuses gehaltenen flexiblen mechanisch-elektrischen Umformer sowie einem durch ein druckempfindliches Element gesteuerten in einem Durchlaß der Trennwand angeordneten tiberlastungsschutzventil.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 040 786 ist ein Meßumformer dieser Art bekannt, bei dem der mechanisch-elektrische Umformer eine öffnung im starren Bodenteil eines als druckempfindliches Element dienenden Balgen verschließt, wobei der Boden zugleich als einer der beiden Schließkörper des Überlastungsschutzventils dient, dessen anderer Schließkörper auf der gegenüberliegenden Seite des Durchlasses über eine Ventilstange mit dem genannten Bodenteil verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruck-Umformer der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß im Falle einer überlastung nicht nur durch das Uberlastungsschutzventil den mechanisch-elektrischen Umformer gefährdende Differenzdrücke von dieseimferngehalten werden, sondern zugleich das elek-

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trische Ausgangssignal des Meßumformers anzeigt, daß ein Uberlastungszustand vorhanden ist. Es soll also verhindert werden, daß im Überlastungsfall beim Schließen des Überlastungsventils das elektrische Ausgangssignal auf einen Wert zurückgeht, welcher innerhalb des Normalbereiches liegt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung. Sie führt zu einem platzsparenden und übersichtlichen Aufbau und zu hoher Zuverlässigkeit des Meßumformers.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Befestigung des mechanisch-elektrischen Umformers ortsfest an einem starren Trägerteil hat den Vorteil, daß die elektrischen Anschlußleitungen, welche den Umformer mit dem äußeren Stromkreis verbinden, keinen Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind und überhaupt nicht flexibel zu sein brauchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Darin zeigt

Figur 1 im Schnitt den Differenzdruck-Meßumformer; Figur 2 Teile des Uberlastungsschutzventils beim Aufsetzen des den Schließkörper umgebenden Dichtungsringes auf den Ventilsitz;

Figur 3 die gleichen Teile, wenn durch weiteren Druckanstieg der Dichtungsring so weit verformt ist, daß der Schließkörper selbst auf dem Ventilsitz aufliegt;

Figur 4 den mechanisch-elektrischen Umformer mit seinen elektrischen Anschlußleitungen und den Anschlußblock für die Verbindung mit den äußeren Zuleitungen; Figur 5 ein Blockschaltbild eines elektrischen Anzeigestromkreises mit einem mechanisch-elektrischen Umformer in Form einer aus druckempfindlichen Widerständen aufgebauten Brückenschaltung und

Figur 6 den Verlauf des elektrischen Ausgangssignals, und zwar im mittleren Teil bei geöffnetem überlantungsschutzventil, d.h., im normalen Arbeitsbereich des Differenzdruck-Meßumforr...! niers und zu beiden Seiten hiervon im FaLIe eLner Überlastung,

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also bei geschlossenem Überlastungenchutzventil. Die ausg gezogene Linie zeigt dabei den Verlauf des Ausgangssignals A beim Differenzdruck-Meßumformer gemäß der Erfindung, während die gestrichelten Kurven den Verlauf bei herkömmlichen Differenzdruck-Meßumformern wiedergeben, wo zwar der mechanischelektrische Umformer durch das Überlastungsschutzventil geschützt wird, aber im überlastungsfall das Ausgangssignal B Werte annimmt, welche innerhalb des normalen Betriebsbereiches liegen können.

Im Atisführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist das starre Gehäuse 1 innen durch zwei gleiche Membranen 2 und 3 in eine Oberdruckkammer 4 und eine Niederdruckkammer 5 unterteilt, welche über die Einlasse 6 und 7 mit den Drücken beaufschlagt werden, deren Differenz gemessen werden soll. Zwischen den beiden Dichtmembranen 2 und 3 ist der Innenraum des Gehäuses 1 weiterhin durch eine starre Wand 8 und eine zusammengesetzte Wand 9 in drei weitere Kammern 10, 11 und 12 unterteilt, von denen die Kammern 11 und über einen Durchlaß 13 in der Wand 8 miteinander in Verbindung stehen. Alle drei Kammern 10, 11 und 12 sowie der Durchlaß 13 sind mit einer inkompressible^. Flüssigkeit gefüllt, welche bei der Herstellung des Meßumformers über Kugelventile 14 und 15 eingefüllt wird.

Die zusammengesetzte Wand 9 umfaßt einen starren Wandteil 16,des Gehäuses 1, welcher zwei öffnungen bildet, in die eine Buchse 17 mit dem Überlastungsschutzventil und ein Block 18 mit dem mechanisch-elektrischen Wandler und einem nachgiebigen Element eingesetzt sind. Die Buchse 17 und der Block 18 sind mittels Dichtungsringen 19 gegenüber dem Wandteil 16 abgedichtet. Dieser Aufbau der zusammengesetzten Wand 9 erleichtert den Zusammenbau des Meßumformers und gegebenenfalls den Austausch der beweglichen Teile innerhalb des Gehäuses 1.

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Der mechanisch-elektrische Umformer, der auf dem Block 18 angeordnet ist, besteht aus einer dünnen Platte 20 eines Siiicium-ELnkristalls, auf dem mit Hilfe einer entsprechenden Diffusionsoder Dotiertechnik eine druckempfindliche Widerstandsbrücke als Wheatstone-Brücke angeordnet ist. Diese Platte 20 verschließt eine öffnung am einen Ende eines innen hohlen Trägers 21, der von einer keramischen Schutzkappe 22 umgeben wird. Dieser Träger 21 bildet eine flüssigkeitsundurchlässige Erweiterung eines Durchlasses 23 im Block 18 und ist als Teil der Kammer 11 im Gehäuse 1 anzusehen. Daher ist die eine Seite der Platte 20 über den Durchlaß 23 mit dem Inneren der Kammer 11 verbunden, während die

andere feite der Platte einen Teil der Innenwand der Kammer 10 bildet. Folglich ist der von der Platte 20 aufgenommene Druck gleich dem Differenzdruck zwischen den Kammern 10 und 11. Dünne Drähte 24 verbinden die Widerstandsbrücke auf der Platte 20 elektrisch mit einer Leiterplatte 25, deren Aufbau am besten in Figur 4 dargestellt ist. Die Platte ist am Gehäuse 1 befestigt und führt zu einem Anschlußblock 26, der eine öffnung in der einen Wand der Kammer 10 verschließt.

Ein nachgiebiges Element besteht aus einem Balgen 27, der auf der zur Platte 20 entgegengesetzten Seite des Blockes 18 angebracht ist. Dieser Balgen 27 ist gegenüber einem am Block vorhandenen Fortsatz, der einen großen Teil des Innenraums des Balgen einnimmt, abgedichtet. Der Rest des Volumens des Balgen steht über einen Durchlaß 28 im Block 18 in dauernder Verbindung mit dem Inneren der Kammer 10. Das Äußere des Balgen ragt vollständig ins Innere der Kammer 11. Damit bildet der Balgen 27 wie die Platte 20 einen Teil der zusammengesetzten Wand 9, die die Kammern 10 und 11 voneinander trennt. Wegen seiner Nachgiebigkeit spricht der Balgen 27 ebenfalls auf Druckdifferenzen zwischen diesen Kammern 10 und 11 an.

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Das überlastungsschutzventil, das von der Buchse 17 getragen ist, enthält einen Betätigungsbalgen 30^ der mit seinem offenen Ende abdichtend mit einem ringförmigen Ansatz im Innern der Buchse 17 verlötet ist. Dieser Balgen 30 umgibt einen ersten Ventilschließkörper 31 und wird durch diesen am anderen Ende verschlossen. Der Schließkörper 31 hat die Form eines Vollzylinders und ist koaxial zum Durchlaß 13 in der starren Trennwand 8 angeordnet, welche die Kammern 11 und 12 voneinander trennt. Die Ventilstange 32 ist mit dem Ventilkörper 31 verschraubt und koaxial im Abstand durch den Durchlaß 13 hindurchgeführt. In der Kammer 12 ist an der Ventilstange ein zweiter Schließkörper 33 befestigt, so daß beide Schließkörper starr miteinander verbunden sind. Ein mit Gewinde versehener Teil der Ventilstange 32, der als Stangenende aus dem Schließkörper 33 herausragt, ist durch eine zentrale öffnung einer S-förmigen Blattfeder 34 geführt und mit Hilfe zweier Schraubenmuttern 35 fest mit der Blattfeder verbunden. Die Feder ist an beiden Enden durch Schrauben an der starren Wand 8 befestigt« Mit Hilfe« der Muttern 35 läßt sich die axiale Lage der Ventilstange 32, in der sie durch die Blattfeder 34 gehalten wird, einstellen. Dies dient der Bestimmung der Größe des überlastungsdifferenzdruckes, der am druckempfindlichen Element 30 herrschen muß, um die Kraft der Blattfeder 34 zu überwinden^ um mit einem der Schließkörper 31 und 33 den Durchlaß 13 zu schließen.

Jeder der beiden Schließkörper 31 raiä 33 bildet an einer flachen Stirnseite einen rinförmigea Absate _e der auf die starre Trennwand 8 aufsetzt, um den Durchlaß 13 zu schließen* Auf diesen beiden ringförmigen Absätzen der Schließkörper '31 rad 33 sind dichtende G-Ringe 36 bzw· 37 so angeordnet, daß sie über die flache Stirnfläche, überstehen» Wie für die O-Ringdichtung 3S in Figur 3 angedeutet ist, verformt sich jeder O-Ring 3S ₀ 37 beim Schließen des Ventils.

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Während des Betriebes ist die Widerstandsbrücke auf der dünnen Siliciumplatte 20, die als mechanisch-elektrischer Umformer dient, über ein Kabel vom Anschlußblock 26 mit einer in Figur gezeigten Schaltung verbunden. Diese Schaltung besteht aus einer Stromversorgung 40, einem konstanten Strom erzeugenden Regler 43, einem temperaturkompensierten Verstärker 41 und einem Amperemeter 42, dessen Meßbereich zwischen 4 und 20 inA einem Differenzdruck zwischen 0 % und 100 % entspricht und welches mit einer in prozentualem Differenzdruck geeichten Skala versehen ist.

Wirkt über die Einlasse 6 und 7 eine normale den Umformer 20 nicht überlastende Druckdifferenz, so zeigt das Amperemeter 42 eine Druckdifferenz zwischen 0 % und 100 % an. Liegt die einwirkende Druckdifferenz außerhalb dieses Bereichs, dann schließt der als druckempfindliches Element wirkende Balgen 30 den Durchlaß 13 in der Trennwand 8. Steht beispielsweise der höhere Druck am Einlaß 6, dann wird die O-Ringdichtung 36 des Schließkörpers 31, wie in Figur 2 gezeigt, gegen die Trennwand 8 gepreßt und verschließt den Durchlaß 13 und damit die Kammer 11. In diesem Fall zeigt aber das Amperemeter 42 einen über&tungsdruck oberhalb 100 % an. Ein solcher Fall wird in Figur 6 gezeigt, wo die ausgezogene Kurve A des AusgangsSignaIs die zweite senkrechte Linie von rechts schneidet.

Steigt der Druck in Kammer 10 weiter an, so bringt das druckempfindliche Element 30 unter Verformung der O-Ringdichtung 36 den Schließkörper 31 aus der in Figur 2 gezeigten Stellung in die Stellung nach Figur 3. Während der Schließkörper 31 die Stellung nach Figur 2 verläßt, verringert das druckempfindliche Element 30 das innere Volumen der Kammer 11 so lange, bis die Stirnfläche des Schließkörpers 31, wie in Figur 3 gezeigt, fest auf der Trennwand 8 aufsitzt. Da die Kammer 11 mit Flüssigkeit gefüllt und durch den O-Ring 36 gegen den Auslaß 13 abgedichtet ist, bewirkt die Volumenverringerung in Kammer 11 ein Ansteigen des Kammerdruckes, Dies führt zu einer Abnahme der Druckdifferenz an der

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dünnen Siliciumplatte 20, die als mechanisch-elektrischer Umformer dient. Der höchste Punkt in der ausgezogenen Kurve A des Ausgangssignals (rechts in Figur 6) entspricht dem Zeitpunkt während des Zusammendrückens der O-Ringdichtung 36, in welchem der außerordentliche Druckanstieg in Kammer 11 eine Abnahme des Ausgangssignals hervorruft.

Bevor jedoch die Abnahme der Druckdifferenz an der Platte 20 einen nennenswerten Abfall des Ausgangssignals bewirkt, führt der außerordentliche Druckanstieg in Kammer 11 zu einem Zusammendrücken des nachgiebigen Elementes 27. Das Innenvolumen des nachgiebigen Elementes 27 wird im selben Maße verringert wie das Volumen der Kammer 11 infolge der Bewegung des druckempfindlichen Elementes 30 zunimmt. Als wirksamer Teil der die Kammern 10 und 11 trennenden zusammengesetzten Wand 9 überträgt das nachgiebige Element 27 den ungewöhnlichen Druckanstieg in der Kammer 11 auf die Kammer 10. Hierdurch wirkt das Element 27 jeder weiteren Abnahme der Druckdifferenz an der Platte 27 und somit gleichzeitig einer Abnahme des vom Umformer gelieferten Ausgangssignals entgegen. Die Nachgiebigkeit des Elementes 27 ist hinreichend größer als die der dünnen Siliciumplatte 20 und gewährleistet, daß das Ausgangssignal im überlastungsfall nicht unter einen 100 % Differenzdruck entsprechenden Wert sinkt und somit die überlastung am Amperemeter 42 angezeigt bleibt. Die Abnahme des Ausgangssignals hört auf, wenn der Schließkörper 31 selbst auf dem Ventilsitz aufliegt.

Die Arbeitsweise des Meßumformers bei einer überlastenden Druckdifferenz im umgekehrten Sinne, d.h. mit einem.höheren Druck in Kammer 12 unterscheidet sich nicht wesentlich von dem gerade beschriebenen Verlauf. Kurzerhand führt der überdruck in Kammer 12 zum Zusammenpressen der O-Ringdichtung 37 und infolge der Ausdehnung des Balgen 30 zur Vergrößerung des Volumens der Kammer 11. Der hierdurch bedingte außerordentliche Druckabfall in der Kammer 11 führt zur Ausdehnung des nachgiebigen Elementes 27 und somit

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zur Beseitigung eines entsprechenden Druckanstiegs in Kammer Unter der Voraussetzung, daß der niedere Druck in Kammer 10 nicht wesentlich unter den Druck beim Schließen des Durchlasses 13 durch die O-Ringdichtung 37 und den Schließkörper 33 absinkt, zeigt das Amperemeter 42 eine überlastung an. Die Arbeitsweise des Meßumformers bei überlastung im gerade genannten Sinne ist auf der linken Seite in Figur 6 dargestellt.

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Claims

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Patentansprüche

/ 1.I Differenzdruck-Meßumformer mit einem an einer inneren Trennwand seines Gehäuses gehaltenen flexiblen mechanisch-elektrischen Umformer sowie einem durch ein druckempfindliches Element gesteuerten in einem Durchlaß der Trennwand angeordneten überlas tungss chutzventil, über welches die eine Seite des mechanisch-. elektrischen Umformers mit der einen Druckeingangskammer des . Meßumformers in Verbindung steht, während die andere Seite des mechanisch-elektrischen Umformers dem Druck in der anderen Druckeingangskammer ausgesetzt ist_f dadr-uch gekennzeichnet, daß zwischen dem Überlastungsschutzventil (31 bis 33, 36, 37) und der einen Seite des mechanisch-elektrischen Umformers (20) eine durch Deformation der Dichtungsmittel (36, -37) des Überlastungsschutzventils in ihrem Volumen veränderbare Kammer (11) gebildet ist, und daß ein nachgiebiges Element (27) von größerer Nachgiebigkeit als der mechanischelektrische Umformer (20) Teil der gleichen Kammerwand (9) ist, in welcher auch der mechanisch-elektrische Umformer angeordnet ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch geken n-.z e i c hn e t , daß die Trennwand einen starren ersten Wandteil (8) enthält, welcher die eine Druckeingangskammer (12) von der in ihrem Volumen veränderbaren Kammer (11) trennt und den durch das überlastungsschutzventil (31 bis 33, 36, 37) verschließbaren Durchlaß (13) aufweist, und ferner einen zusammengesetzten Wandteil (9) aufweist, welcher eine starre Trägerwand (16) mit Öffnungen für das Einsetzen des druckempfindlichen Elements (30) und des mechanisch-elektrischen Umformers (20) umfaßt und' die gen.annte Kammer (11) von der anderen Druckeingangs kammer (10) trennt.

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3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2 ,dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch-elektrische Umformer (20) an einem in einen starren Teil (16) der Trennwand (9) abgedichtet eingesetzten Einsatz (18) gehalten ist.
4. Gerät nach Anspruch 3,da durch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Element am gleichen Einsatz (18) befestigt ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (18) zusammen mit dem mechanischelektrischen Element (20) und dem nachgiebigen Element (27) auswechselbar im starren Wandteil (16) befestigt ist.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ,dadurch gekennzeichnet , daß das druckempfindliche Element (30), welches das Uberlastungsschutzventil (31 bis 33, 36, 37) steuer- an einem in einen starren Teil (16) der Trennwand (9) abgedichtet eingesetzten. und zusammen mit dem druckempfindlichen Element auswechselbaren weiteren Einsatz (17) gehalten ist.
7.. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet , daß das nachgiebige Element (27) und das druckempfindliche Element (30) auf der einen Seite dem Druck in der Kammer (11) und auf der anderen Seite dem Druck in der anderen Druckeingangskammer (10) ausgesetzt sind,
8. Gerät nach Anspruch 7 ,dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Element (27) ein Balg und se Ln Innenraum durch einen in Ihn hineinragenden Ansatz des ELn¹-satzes (18) teilweise gefüllt ist.
9", ,Gerät nach Anspruch 7 , d a d u r c h gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Element (30) ein Balg List,

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10. Gerät nach Anspruch 9 mit je einem Schließkörper des Überlastungsschutzventils zu beiden Seiten des Durchlasses, wobei der eine Schließkörper am Bodenstück des druckempfindlichen Elements unmittelbar angebracht und der andere Schließkörper von einer durch den Durchlaß hindurchragenden Ventilstango getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Schließkörper (33) bzw. die Ventilstange (32) mit einer sich gehäusefest abstützenden Feder (34) verbunden ist, welche in der Ruhelage beide SchließkÖrper in der Offenstellung hält und durch ihre Federkraft die zum Schließen des Überlastungsschutzventils erforderliche Druckdifferenz bestimmt.
11. Gerät nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet , daß die Feder eine sich quer zur Bewegungsrichtung der Ventilstange (32) erstreckende, an ihrem Mittelteil mit den Schließkörpern (31, 32) verbundene Blattfeder (34) ist, welche beidseitig an der Trennwand (8) befestigt und in der einen Druckeingangskammer (12) angeordnet ist.
12. Gerät nach einem Ansprüche 1 bis 11,dadurch gekennzeichnet, daß beide Druckexngangskammern (10, 12) in an sich bekannter Weise durch je eine Membran (2, 3) von den an die äußeren Druckeinlässe (6, 7) angeschlossenen Druckeinlaßkammern (4, 5) getrennt und die Hohlräume (10, 11, 12) zwischen diesen beiden Membranen (2, 3) mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt sind.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12,dadurch gekennzeichnet , daß der mechanisch-elektrische Umformer (20) ein Silicium-Kristall mit einer darauf aufgebrachten Brückenschaltung aus druckempfindlichen elektrischen Widerständen ist.

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