DE2263901B2

DE2263901B2 - Meßumformer

Info

Publication number: DE2263901B2
Application number: DE19722263901
Authority: DE
Inventors: John Erik Karlskoga Andersson (Schweden)
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-28
Publication date: 1974-10-17
Also published as: GB1417020A; DE2263901A1; FR2170621A5; SE369626B

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer, insbesondere für einen Druckmeßumformer zur Messung von Gas- und Flüssigkeitsdrücken, mit einem rohrförmigen Außenteil und einem koaxial in diesem angeordneten Innenteil, einer Membran, mit der Innen- und Außenteil an einem Ende verbunden sind, und zwei oder mehr zwischen dem Außen- und Innenteil sich erstreckenden, auf Scherung beanspruchten, Dehnungsmeßfühler tragenden Meßbalken, die scheibenförmig ausgebildet sind und hochkant zur Membran angeordnet sind. Ein derartiger Meßumformer kann als eine dem jeweiligen Meßobjekt besonders angepaßte Einheit ausgebildet sein. Er kann jedoch auch eine gesonderte Einheit bilden, die von dem mit einer entsprechenden Befestigung versehenen Meßobjekt umschlossen ist.

Ein bekannter Meßumformer (US-PS 3 413 845) besitzt eine große Anzahl von Verbindungsstellen, welche zu Kriechvorgängen, Hysteresiserscheinungen, verstärkten Ausbiegungen, Temperaturabweichungen od. dgl. führen. Auch müssen die Teile der bekannten Vorrichtung mit außerordentlich großer Genauigkeit hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer der eingangs genannten Art zu schaffen, der unter Vermeidung von Verbindungsstellen mechanisch besonders stabil, von einfacher Konstruktion und billig in der Herstellung ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Meßumformer nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die auf Scherung beanspruchten Meßbalken gegen die Membran stehend ausgebildet sind, daß die Meßbalken einstückig mit der Membran, dem Innenteil und dem Außenteil zusammenhängen und daß die Membran relativ schwach ausgebildet ist.

Dieser Meßumformer weist also keinerlei Verbindungsstellen auf, so daß die vorstehend erwähnten Nebenerscheinungen entfallen. Auch verringert diü Verwendung der dünneren Membran den durch die Membran bewirkten Kraftnebenschluß, Daraus ergibt sich unter anderm eine geringe Empfindlichkeit beim Einbau. Dennoch ist der Meßumformer mechanisch besonders stabil. Weiterhin entfällt das Erfordernis, bei der Herstellung mit extrem engen Toleranzen zu arbeiten.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßumformers besteht darin, daß er bei sehr gerin-

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gen Drücken anwendbar ist. Dies wirkt sich insbe-

T I 1»| CJJ 1

Ferner zeichnet sich die "erfindüngsgera&ße Vorrichtung durch einen sehr weiten Meßbereich von Insbesondere 5 bis 200Jcp/cra* aus. Demgegenüber arbeitete die bekannte Vorrichtung im wesentlichen our im Bereich um und unter 5 kp/cra⁸.

Ein bevorzugtes Ausgestaltungsraerkraal besteht darin, daß das Außenteil als Hohlzylinder und das tonenteil als Zylinder ausgebildet sind und daß die Höbe des Innen- und Außenteils im Vergleich zum Außendurchmesser des Außenteils niedrig ist und insbesondere nur 10 bis 15 <V* dieses Außendurcbmessers beträgt Daraus ergibt sich ein kleines Innenvolumen mit entsprechend kleinen Änderungen des Innenvolumens bei großer Wirkfläcbe.

Vorteilhafterweise beträgt die Anzahl der Meßbalken drei ober vier.

Vorzugsweise ist jeder Meßbalken in einer zur Membran senkrechten Ebene rechteckig oder quadratisch.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen jedes Meßbalkens derart gekrümmt sind, daß sie in einem zur Membran parallelen Querschnitt konkav sind und daß die Dehnungsmeßfühler an jedem Balken an den Stellen angeordnet sind, wo der Balken am dünnsten ist. Eine derartige Anordnung ist besonders einfach herzustellen.

Vorteilhafterweise sind Innen- und Außenteil an der Befestigungsstelle der Balken mit Ausnehmungen versehen, die die Länge der Balken vergrößern, wodurch auch bei Meßumformern für hohe Drücke eine große Fläche für die Anbringung der Meßfühler zur Verfugung steht. Auch erleichert sich die Anbringung der Meßfühler.

Vorzugsweise ist am anderen Ende des Außenteils und Innenteils eine weitere Membran angebracht, die die MeLoalken und Dehnungsmeßfühler hermetisch einschließt. Dadurch eignet sich der Meßumformer besonders für die Verwendung in einer feuchten, staubigen oder in sonstiger Weise aggressiven Umgebung. Die Dehnungsmeßstreifen sind gegen die Flüssigkeiten oder Gase, die beispielsweise korrosiver Natur .lein können, abgeschirmt. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, den Meßumformer zur Messung von Differenzdrücken einzusetzen.

Gleiche Vorteile werden dadurch erzielt, daß am anderen Ende des Außenteils und Innenteils eine ringförmige Membran befestigt ist, die mit ihrer Außenkante am Außenteil und mit ihrer Innenkante am Innenteil derart befestigt ist, daß sie die Meßbalken und Dehnungsmeßfühler hermetisch einschließt.

Vorteilhafterweise ragt das Außenteil an seinem anderen Ende über das Innenteil derart hinaus, daß sich bei Anbringung des Meßumformers an einer ebenen Stirnfläche eines Meßgerätes oder -Objektes ein Überlastungsschutz ergibt. Dies stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, den Meßumformer mit einem wirksamen Überlastungsschutz zu versehen.

Ein Merkmal einer Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß im Außenteil ein oder mehrere Ringkanäle für Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, vorgesehen ist. Auf diese Weise läßt sich der Meßumformer jeweils in Anpassung an die Betriebsbedingungen wirksam kühlen.

Erfindungsgemäß können zur Erhöhung der Eigenfrequenz Ausnehmungen im Innenteil vorgesehen sein, die von dessen freier Stirnfläche ausgeben und m dem zur Membran parallelen Querschnitt segmentförraig ausgebildet sind. Die Ausnehmungen

vermindern die Masse des Innenteils und erhöhen damit die Eigenfrequenz der Anordnung.

Insbesondere fan Hinblick auf das kleine Innenvolumen, die kleinen Änderungen des Linenvolumens, die große Wirkfläche, die hohe Eigenfrequenz, den

w guten Überlastungsschutz und die gute Kühlmöglichkeit zeigt sich der erflndungsgemäße Meßformer solchen Meßumformern überlegen, die mit auf Biegung beanspruchten Meßbalken arbeiten.
Ausfübrungsfonnen der Erfindung werden im foi-

*5 genden an Hand der Zeichnungen näher erläutert

Fig. la zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei Meßbalken;

F i g. 1 b zeigt die Ausführungsform nach F i g. 1 a im Schnitt längs der Linie A-A;

F i g. 1 c zeigt eine Einzelheit dieser Ausführungsform im Schnitt;

Fig.^2 zeigt das Prinzip eirsr Brückenschaltung für die Dehnungsmeßfühler der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

^a5 F i g. 3 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform der Erfindung mit vier Meßbalken;

F i g. 4 zeigt die Ausführungsform nach F i g. 3 im Schnitt;

F i g. 5 und 6 zeigen im Schnitt Ausführungsformen mit hermetischer Einschließung der Meßbalken und Dehnungsmeßfühler;

F i g. 7 und 8 zeigen im Schnitt eine Ausführungsform mit Überlastungsschutz im unbelasteten und im belasteten Zustand;

Fig.9 und 10 zeigen Draufsichten von weiteren Ausfuhrungsformen;

F i g. 11 a zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform mit hoher Eigenfrequenz;
F i g. 11 b zeigt die Ausführungsform nach F i g. 11 a im Schnitt;

Fig. 12a zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform mit Kanälen für eine Flüssigkeitskühlung;

Fig. 12 b zeigt die Ausführungsform nach Fig. 12a im Schnitt.

In F i g. 1 a bis 1 c ist das Außenteil mit 1 bezeichnet. Dieses Außenteil ist als Hohlzylinder ausgebildet. Koaxial in dem Außenteil ist ein Innenteil 2 angeordnet, und Außen- und Innenteil sind an einem ihrer Enden mit einer Membran 3 verbunden. Die Membran hängt einstückig mit dem Außen- und Innenteil 1 und 2 zusammen. Zwischen der Innenfläche des Außenceils und der Außenfläche des Innenteils sind zwei Meßbalken 4 eingefügt, und zwar an symmetrisch über den Umfang des Außenteils verteilten Stellen. Die Balken 4 sind scheibenförmig und haben gerade Seitenflächen. Die Balken stehen hochkant gegen die Membran 3, d. h. sie liegen in der Zeichenebene von Fig, Ib. Bei dieser Anordnung wirkt jeder Meßbalken im Prinzip als ein an einem Ende fest

eingespannter Balken, bei dem dio Kraft am freien, aber parallel geführten Ende angreift. Durch die Ausbildung und Anordnung der Balken wird ein auf die Außenseite der Membran wirkender Druck Scherspannungen und entsprechende Verformungen

6s der Balken bewirken. Diese Verformungen werden von Dehnungsmeßfühlern bzw. -streifen 5 erfaßt, die an den Balken angebracht sind, wobei die Dehnungsmeßfühler vorzugsweise an der neutralen Achse des

jeweiligen Balkens angeordnet sind, so daß sie von Biegungen des Balkens im wesentlichen unabhängig sind. F i g. 1 b zeigt ferner als Beispiel, wie der Meßfühler mit dem anderen Ende des Außenteils 1 an einer Halterung 6 od. dgl. an dem jeweiligen Meßobjekt befestigt werden kann. In einer zur Membran 3 senkrechten Ebene ist jeder Balken 4 rechteckig oder quadratisch.

Jeder Meßbalken trägt bei der dargestellten Ausführungsform auf jeder Seite einen Dehnungsmeß- to fühler SA_t SB, SC oder SD. Jeder Dehnungsmeßfühler ist unter 45° zur Längsrichtung des Balkens angeordnet, und auf jeweils einem Balken stehen die beiden Meßfühler unter 90° zueinander, so daß für eine bestimmte zu messende Kraft in dem Balken der eine Meßfühler eine positive und der andere Meßfühler eine negative Dehnung mißt. Die Meßfühler können bei der dargestellten Ausführungsform aus sogenannten Kreuzgitter-Meßfühlern (Cross-Gridgauges) bestehen. Die Dehnungsmeßfühler sind in an sich be- ao kannter Weise zu einer Meßbrücke verbunden, wie in Fig.2 dargestellt, wobei die Meßdrücke störende Einflüsse, z.B. von Seitenkräften od.dgl., kompensiert. Ein Anzeigegerät zeigt in bekannter Art ein elektrische» Signal an, welches proportional zum An- as liegenden resultierenden Druck ist

Die Meßbalken 4 hängen einstückig mit dem Außenteil 1 und Innenteil 2 und der Membran 3 zusammen, so daß das ganze Meßumformerelement eine einstückige Einheit bildet. Die Membran 3 und 3» die Meßbalken 4 sind so dimensioniert, daß letztere den wesentlichen Teil der Kraft aufnehmen, die aus dem Druck oder den Drücken resultiert. Die nachstehende Tabelle gibt den Prozentsatz der angelegten Kraft an, den eine Membran mit der Dicke von 0,5 mm bei den jeweils angegebenen Dimensionierungen aufnimmt

Meßbereich	a	ft	A	U
kp/cm*	mm	mm	mm*	*l%
5	30	20	3,1	8,2
10	30	20	6,3	4,1
20	19	13	5,0	8,2
50	19	13	12,0	3,3
100	9	5	5,6	14,8

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Die Längen α und b sind in F ig. Ib angegeben, während A die Querschnittsfläche eines Meßbalkens ist

Das Element ist verhältnismäßig eng, d. h. nur 10 bis 15 °/o des Außendurchmessers des Außenteils.

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsfonn entspricht der nach F i g. 1 a und 1 b mit Ausnahme der Anzahl der Meßbalken 4, die hier vier beträgt Fig.4 zeigt, daß jeder Balken einstückig mit der Membran 3 zusammenhängt und sich bis zur Höhe der anderen Stirnflächen des Innen- und Außenteils 1,2 erstreckt

Fig.5 zeigt eine Ausführungsfonn, bei der eine hermetische Einschließung der Meßbalken 4 und der zugehörigen Dehnungsmeßfühler durch eine weitere Membran 7 erhalten wird, die ringförmig ausgebildet ist Die Außenkante des Rings ist am Außenteil 1 befestigt Diese Ausführungsfonn ist geeignet zur Kessung von Differentialdrücken, die aus entgegengesetzter Richtung auf den Innenteil 2 und die Membranen 3 und 7 wirken. Die Druckrichtungen sind in F i g. 5 angedeutet, die im Prinzip auch die Einspannung des Meßumformers in diesem Fall zeigt. Als Alternative kann die hermetische Abschließung auch durch eine weitere Membran erfolgen, die die obere Stirnfläche des Innen- und Außenteils 1 und 2 überdeckt, wie es in F i g. 6 mit dem Bezugiszeichen 8 angegeben ist Die hermetisch abgeschlossenen Räume bei den Ausführungsformen nach F i g. 5 und 6 können leicht evakuiert werden.

Fig.7 und 8 zeigen, daß der Meßumformer mit einem Überlastungsschutz verseben werden kann. In diesem Fall ragt der Außenteil 1 an der oberen Stirnfläche über den Innenteil hinaus. Der Meßumformer wird dann an einem Gerät oder Meßobjekt 9 mit ebener Stirnfläche 9 a befestigt, welches mit der Stirnfläche des Innenteils 2 zusammenwirken kann. Durch dieses Zusammenwirken wird die Bewegung der Membran begrenzt, wenn der Innenteil gegen die erwähnte Stirnfläche 9a anliegt (Fig.8). Das Gerät oder Meßobjekt 9 ist bei der ebenen Stirnfläche 9 α mit Ausnehmungen 9 b gegenüber den Meßbalken 4 versehen. Hierdurch wird verhindert, daß die Meßbalken gegen die Stirnfläche gedrückt werden, auch wenn sie auf Grund ihrer Herstellung Unebenheiten aufweisen.

Fig.9 und 10 zeigen abgeänderte Ausführungsformen der Meßbalken4. Fig.9 zeigt eine herstellungsmäßig besonders günstige Ausführungsfonn, da die Seitenflächen jedes Meßbalkens in einem parallel zur Membran bzw. zur Zeichenebene liegenden Querschnitt konkav ausgebildet sind. Die Dehnungsmeßfühler werden an den Stellen des Meßbalkens angeordnet, wo dieser arn dünnsten ist F i g. 10 zeigt eine Aaisführungsform, die besonders für höhere Drücke vorteilhaft ist In diesem Fall wurde die Länge jedes Meßbalkens vergrößert, damit die Dehnungsmeßfühler leichter angebracht werden können. Diese Verbreiterung erfolgt durch besondere Ausnehmungen 10,11, die sich über die ganze Höhe des Innen- und Außenteils 1 und 2 oder nur über einen Teil dieser Höhe erstrecken.

Die Ausführungsform nach F i g. 11 a und 11b ermöglicht einen Meßumformer mit hoher Eigenfrequenz. Der Innenteil ist mit öffnungen 12 und 13 versehen, die in ihrem zur Membran bzw. rur Zeichenebene von Fig. 11 a parallelen CJerschnitt segmentförmig ausgebildet sind. Die öffnungen erstrekken sich von der freien Stirnfläche des Innenteils nahezu über die gesamte Höhe des Innenteils.

Der Meßumformer kann auch mit einem Kanal 14 für Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, versehen sein, wie in Fig. 12a und 12b gezeigt. Die Kühlmittelkanäle haben einen oder mehrere Einlasse 14 a und einen oder mehrere Auslässe 14 b. Der Kanal kann aus einer Nut bestehen, die mit einer ringförmigen Membran oder Scheibe 15 abgedeckt ist. Selbstverständlich kann die Anzahl der Kanäle auch größer als eins sein.

Zahlreiche Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann der Meßumformer auch zur Messung von Belastungen und Kräften ausgebildet sein. Die Anzahl der Meßbalken kann verändert werden und beispielsweise auch drei betragen. Das ganze Element kann aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer, rosbesondere für einen Druckineßumforraer zur Messung von Gas- und FIOssigkeitsdrücken, mit einem rohrförmigen Außenteil und einem koaxial in diesem angeordnete» Innenteil, einer Membran, mit der Innen- und AußenteU an einem Ende verbunden sind, und zwei oder mehr zwischen dem Außen- und In- w nenteil sich erstreckenden, auf Scherung beanspruchten, Dehnungsfühler tragenden Meßbalken, die scheibenförmig ausgebildet sind und hochkant zur Membran angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die auf t$ Scherung beanspruchten Meßbalken (4) gegen die Membran (3) stehend ausgebildet sind, daß die Meßbalken einstückig mit der Membran (3), dem Innerfeil (2) und dem AußenteU (1) zusammenhängen und daß die Membran (3) relativ ao schwach ausgebildet ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das AuSenteil als Hohlzylinder und das Innenteil als Zylinder ausgebildet sind und daß die Höhe der, Innen- und Außen- as teils im Vergleich zum Außendurchmesser des Außenteils (1) niedrig ist und insbesondere nur 10 bis 15 % dieses Außendurchmessers beträgt.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßbalken (4) drei oder vier be^trägt.

4. Meßumformer npch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßbalken (4) in einer zur Membran senkrechten Ebene rechteckig oder quadratisch ist.

5. Meßumformer nach einem der Ansp.üche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen jedes Meßbalkens (4) derart gekrümmt sind, daß sie in einem zur Membran parallelen Querschnitt konkav sind und daß die Dehnungsfühler an jedem Balken an den Stellen angeordnet sind, wo der Balken am dünnsten ist.

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenteil (1, 2) an der Befestigungsstelle der Balken (4) mit Ausnehmungen (10, 11) versehen sind, die die Länge der Balken vergrößern, wodurch auch bei Meßumformern für hohe Drücke eine große Fläche für die Anbringung der Meßfühler zur Verfügung steht.

7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Hnde des Außenteils (1) und Innenteils (2) eine weitere Membran (8) angebracht ist, die die Meßbalken (4) und Dehnungsmeßfühler (5) hermetisch einschließt.

8. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende des Außenteils (1) und Innenteils (2) eine ringförmige Membran (7) befestigt ist, die mit ihrer Außenkante am Außentei! (1) und mit ihrer Innenkante am Innenteil (2) derart befestigt ist, daß sie die Meßbalken (4) und Dehnungsmeßfüh-(5) hermetisch einschließt.

9. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenteil

(1) an seinem anderen Ende über das Innenteil

(2) hinausragt derart, daß sich bei Anbringung

des Meßumformers an einer ebenen Stirnfläche (9 a) eines Meßgerätes oder -Objekts (9) ein Überlastungsschutz ergibt.

10. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Un Außenteil (1) ein oder mehrere Ringkanäle (14) for Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, vorgesehen Ist.

11. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöbung der Eigenfrequenz Ausnehmungen (12, t3) im Innenteil (2) vorgesehen sind, die von dessen freier Stirnfläche ausgeben und in dem zur Membran (3) parallelen Querschnitt segmentförmig ausgebildet sind.