DE2261664C3

DE2261664C3 - Differenzdruck-Meßumformer

Info

Publication number: DE2261664C3
Application number: DE2261664A
Authority: DE
Inventors: Carl Raymond Ft. Washington Brandt; Lester R. Oreland Leody Jun.; John A. Philadelphia Weaver
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1971-12-21
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1978-04-13
Also published as: JPS5228671B2; US3712143A; CA971386A; JPS4871687A; GB1363208A; IT974113B; DE2261664A1; FR2165618A5; DE2261664B2

Description

60

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdruck-Meßumformer gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs I. Aus der DE-OS 20 40 786 ist ein Meßumformer bekannt, bei dem der mechanisch-elektrische Umformer eine Öffnung im starren Bodenteil eines als druckempfindliches Element dienenden Balgens 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.

Weiterhin zeigt die US-PS 30 58 350 einen Differenzdruck-Mefiumformer mit je einem auf beiden Druckeingangsseiten vorgesehenen Druckübertragungsbalgen, einer den Raum zwischen den beiden Dxuckübertragungsbalgen unterteilenden starren Trennwand, einem in diese eingesetzten, mit einem Dehnungsmeßstreifengeber gekoppelten Meßbalgen, welcher auf der Außenseite von dem Druck in der dem einen Druckübertragungsbalgen zugewandten Teilkammer und auf der Innenseite dem Druck in der dem anderen Druckübertragungsbalgen zugewandten Teilkammer ausgesetzt ist, sowie mit zwei jeweils mit entgegengesetzter Wirkrichtung an die beiden Teilkammern angeschlossenen vorgespannten Überdruck-Ausgleichsbalgcn, deren Federsteifigkeit wesentlich geringer ist als die des Dehnungsmeßstreifengebers in Verbindung mit dem Meßbalgen. Sobald der Differenzdruck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, fällt der mit seiner Außenseite dem Überdruck ausgesetzte Ausgleichsbalgen zusammen und ermöglicht das Einströmen der im Innenraum des angeschlossenen Druckübertragungsbalgen befindlichen Druckflüssigkeit in den frei werdenden Raum, so daß der Druckübertragungsbalgen ebenfalls zusammengedrückt wird und mit seiner Endscheibe den Eingang zu der mit ihm in Verbindung stehenden Teilkammer verschließt. Damit wird der Differenzdruck begrenzt und der Überdruck vom Meßbalgen ferngehalten. Mit dem Verschwinden des Druckes auf der Oberdruckseite geht aber ebenso wie beim Differenzdruck-Meßumformer gemäß DE-OS 20 40 786 das elektrische Ausgangssignal unter den das Vorhandensein eines übermäßigen Differenzdruckes anzeigenden Betrag zurück. Die Überdruck-Ausgleichsbalgen dienen hier der hydraulischen Steuerung der durch die Endscheibe der Druckübertragungsb-ilgen gebildeten Schließkörper zweier Überlastungsschutzventile.

Ferner ist aus der GBPS Il 06 284 ein Differenzdruck-Meßumformer nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem das dem mechanischelektrischen Umformer parallelgeschaltete nachgiebige Element in Form eines zusätzlichen Balgen dem Übertemperaturschutz dient. Wenn die auf der einen Seite des Umformers liegende flüssigkeitsgefüllte Kammer durch das Überdruckventil geschlossen ist und die Flüssigkeit in dieser Kaminer infolge Wärmezufuhr ihr Volumen ausdehnt, soll es einen Druckausgleich zwischen den beiden Meßkammern schaffen und damit den mechanisch-elektrischen Umformer vor Überbeanspruchung schützen. Um die Genauigkeit der Differenzdruckmessung unter normalen Bedingungen nicht zu beeinträchtigen, erscheint es dabei naheliegend, die Nachgiebigkeit dieses Ausgleichelements kleiner zu wählen als die des Umformers.

Des weiteren ist aus der DE-AS 14 98 205 ein Diffe renzdruck-Meßumformer bekannt, welcher eine zusätzliche mittels eines Kolbens oder Balgens abgeschlossene Kammer zur Aufnahme der bei auftretendem einseitigem Überdruck ausweichenden Flüssigkeitsmenge vorsieht, wobei der Kolben bzw. Balg erst nach Überschreiten einer mittels einer vorgespannten Feder gebildeten Kraftschwelle frei wird. Auch hier ist die Nachgiebigkeit des Ausgleichelements geringer, d. h. seine Steifigkeit größer als die des Umformers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruck-Meßumformer so auszugestalten, daß

im Fall einer Überlastung nicht nur durch das Überlastungsschutzventil den mechanisch-elektrischen Umformer gefährdende Differenzdrücke von diesem ferngehalten werden, sondern zugleich das elektrische Ausgangssignal des Meßumformers anzeigt, daß ein Überlastungszustand vorhanden ist Es soll also verhindert werden, daß im Überlastungsfall beim Schließen des Überlastungsventils das elektrische Ausgangssignal auf einen Wert zurückgeht, welcher innerhalb des Normalbereichs liegt. '

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Die Erfindung 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-eiektrischen Umformers ortsfest an~ einem starren Trägerteil hat den Vorteil, daß die elektrischen Anschlußleitungen, weiche den Umformer mit dem äußeren Stromkreis verbinden, keinen Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind und überhaupt nicht flf-.abei zu sein brauchen.

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

F i g. 1 im Schnitt den Differenzdruck-Meßumformer,

F i g. 2 Teile des Überlastungsschutzventils beim Aufsetzen des den Schließkörper umgebenden Dichtungsringes auf den Ventilsitz,

F i g. 3 die gleichen Teile, wenn durch weiteren Druckanstieg der Dichtungsring so weit verformt ist, daß der Schließkörper selbst auf dem Ventilsitz aufliegt,

F i g. 4 den mechanisch-elektrischen Umformer mit seinen elektrischen Anschlußleitungen und den Anschlußblock für die Verbindung mit den äußeren Zuleitungen,

F i g. 5 ein Blockschaltbild eines elektrischen Anzeigestromkreises mit einem mechanisch-elektrischen Umformer in Form einer aus druckempfindlichen Widerständen aufgebauten Brückenschaltung und

F i g. 6 den Verlauf des elektrischen Ausgangssignals, und zwar im mittleren Teil bei geöffnetem Überlastungsschutz ventil, d.h. im normaler: Arbeitsbereich des Differenzdruck-Meßumformers, und zu beiden Seiten hiervon im Fall einer Überlastung, also bei geschlossenem Überlastungsschutzventil. Die ausgezogene Linie zeigt dabei den Vt/-lauf des Ausgangssignals A beim Differenzdruck-Meßumformer gemäß der Erfindung, während die gestrichelten Kurven den Verlauf bei herkömmlichen Differenzdruck-Meßumformern wiedergeben, wo zwar der mechanisch-elektrische Umformer durch das Überlastungsschutzventil geschützt wird, aber im Überlastungsfall das Ausgangssignal B Werte annimmt, welche innerhalb des normalen Betriebsbereichs liegen können.

Im Ausfführungsbeispiel gemäß F i g. I ist ein starres Gehäuse 1 innen durch zwei gleiche Membranen 2 und 3 in eine öberdruckkammer 4 und eine Niederdruckkammer 5 unterteilt, welche über 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 wd'.-re Kammern 10, 11 und 12 unterteilt, von denen die Kammern 11 und 12 über einen Durchlaß 13 in der Wand 8 miteinander in Ver-

bindung stehen. Alle drei Kammern 10,11 und 12 sowie der DurchlaQ 13 sind mit einer inkompressiblen 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 mechanischelektrischen Wandler und einem nachgiebigen Element eingesetzt sind. Die Buchse 17 und der Block 18 sind als auswechselbare Einsätze ausgebildet und 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.

Der mechanisch-elektrische Umformer, der auf dem Block 18 angeordnet ist, besteht aus einer dünnen Platte 20 eines Silicium-Einkristalls, auf dem mit Hilfe einer entsprechenden Diffusions- oder Dof.ertechnik 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. Diener 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 Seite 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 II. Dünne Drähte 24 verbinden die Widerstandsbrücke auf der Platte 20 elektrisch mit einer Leiterplatte 25, deren Aufbau am besten in Fig.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 Balgens einnimmt, abgedichtet. Der Rest des Volumens des Balgens steht über einen Durchlaß 28 im Block 18 in dauernder Verbindung mit dem Inneren der Kammer 10. Das Äußere des Balgens ragt vollständig ins Innere der Kammer 11. Damit bildet der Balgen 27 ebenso 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, aui Druckdifferenzen zwischen diesen Kammern

10 und 11 an.

Das Überlastungsschutzveniil, das von der Buchse 17 getragen ist, enthält einen Betätigungsbalgen 30, der mit seinem offenen Ende abdichtend mit einem ringförmigen Ansatz im m"eren der Buchse 17 verlötet ist. Dieser Balgen 30 umgibt einen ersten Ventilschließkörper 31 Und wird durch diesen am änderen Ende Verschlossen. Der Schließkörper 31 hat die Fonn eines Vollzylinders und ist koaxial zum Durchlaß 13 in der starren Trennwand 8 angeordnet, welche die Kammern

11 und 12 voneinande- 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. Mil 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 m des Überlastungsdifferenzdruckes, der am druckempfindlichen Element 30 herrschen muß. um die Kraft der Blattfeder 34 zu überwinden, um mil einem der Schließkörper 31 und 33 den Durchlaß 13 zu schließen.

leder der beiden Schließkörper 31 und 3) bildet an einer flachen Stirnseite einen ringförmigen Absatz, der auf die starre Trennwand 8 aufsetzt, um den Durchlaß 13 zu schließen. Auf diesen beiden ringförmigen Absätzen der Schließkörper 31 und 33 sind dichtende O-Ringe 36 bzw. 37 so angeordnet, daß sie über die flache Stirnfläche überstehen. Wie für die O-Ringdichtung 36 in F i g. 3 angedeutet ist, verformt sich jeder O-Ring 36.37 beim Schließen des Ventils.

Während des Betriebes ist die Widerstandsbrücke auf der dünnen Siliciumplatte 20, die als mechanischelektrischer Umformer dient, über ein Kabel vom Anschlußblock 26 mit einer in F i g. 5 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 mA 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 Bereiches, 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 F i g. 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 Überlastungsdruck oberhalb 100% an. Ein solcher Fall wird in F i g. 6 gezeigt, wo die ausgezogene Kurve A des Ausgangssignals 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 F i g. 2 gezeigten Stellung in die Stellung nach F i g. 3. Während der Schließkörper 31 die Stellung nach F i g. 2 verläßt, verringert das druckempfindliche Element 30 das innere Volumen der Kammer Il so lange, bis die Stirnfläche des Schließkörpers 31, wie in F i g. 3 gezeigt, fest auf der Trennwand 8 aufsitzt. Da die Kammer 11 mil Flüssigkeil 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 dünnen Siliciumplatte 20, die als mechanisch-elektrischer Umformer dient. Der höchsle Punkt in der ausgezogenen Kurve A des Ausgangssignals (rechts in F i g. 6) enlsprichl dem Zeilpunkt während des Zusammendriickens 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 der Kammer 11 zu einem Zusammendrücken des nachgiebigen F.lements 27. Das Innenvolumen des nachgiebigen Elements 27 wird im selben Maße verringert wie das Volumen der Kammer 11 infolge des Zusammendrückens der O-Ringdichtung 36 zunimmt. Als wirksamer Teil der die Kammern 10 und

11 trennenden zusammengesetzten Wand 9 überträgt das nachgiebige Element 27 den ungewöhnlichen Druckans'.'eg in der Kammer 11 auf die Kammer 10. Hierdurch virkt das Element 27 jeder weiteren Abnahme der Druckdifferenz an der Platte 20 und somit gleichzeitig einer Abnahme des vom Umformer gelieferten Ausgangssignals entgegen. Die Nachgiebigkeit des Elements 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 Sinn, 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 Balgens 30 zur Vergrößerung des Volumens der Kammer U. Der hierdurch bedingte außerordentliche Druckabfall in der Kammer 11 führt zur Ausdehnung des nachgiebigen Elements 27 und somit zur Beseitigung eines entsprechenden Druckanstiegs in Kammer 10. 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 Sinn ist auf der linken Seite in F i g. 6 dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Überlastungsschutzventii, über welches die eine Seite des mechanisch-elektrischen Umformers mit der einen Druckeingangskanimer des Meßumformers in Verbindung steht, während die andere Seite des mechanisch-elektrischen Umformers dem Druck in der anderen Druckeingangskammer ausgesetzt ist und wobei zwischen dem Überlastungsschutzventil und der einen Seite des mechanisch-elektrischen Umformers eine durch Deformation der Dichtungsmittel des Überlastungsschutzventils ·η ihrem Volumen veränderbare Kammer gebildet und ein nachgiebiges Element dem mechanisch-elektrischen Umformer parallel geschaltet und Teil der gleichen Kammerwand ist, in welcher auch der mechanisch-elektrische Umformer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit des nachgiebigen Elements (27) größer gewählt ist als die des inechanisch-elektrischen Umformers (20).

2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Element (27) an einem in einen starren Teil (16) der Trennwand (9) abgedichtet eingesetzten Einsatz (18) befestigt ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (18) i-ugleich den mechanischelektrischen Umformer (20) trag und zusammen mit diesem und dem nachgiebigen Element (27) auswechselbar im starren Wandteil (16) befestigt ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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.

5. Gerät nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Element (27) ein Balgen und sein Innenraum durch einen in ihn hineinragend;n Ansatz des Einsatzes (18) teilweise gefüllt ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den den Einsatz (18) mit dem nachgiebigen Element (27) tragenden starren Teil (16) der Trennwand (9) ein das der Steuerung des Überlastungsschutzventils (31 bis 33, 36. 37) dienende druckempfindliche Element (30) haltender weiterer Einsatz (17) abgedichtet und zusammen mit dem druckempfindlichen Element auswechselbar eingesetzt ist.