DE2318128A1

DE2318128A1 - Druckmesswandler

Info

Publication number: DE2318128A1
Application number: DE2318128A
Authority: DE
Inventors: Paul Engeler; Jun Lutz; Hans Conrad Sonderegger
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-11
Publication date: 1973-12-06
Also published as: US3857287A; ATA312873A; AT349796B; DK136500C; DE2318128B2; DK136500B; GB1363407A; DE2318128C3; CH537013A

Description

KISTLER INSTRUMENTE AG WINTERTHUR

DRUCKRIESSWANDLER

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Druckmesswandlern die zusätzlich zu den Druckwechseln auch rasch varierenden Temperatur· wechseln ausgesetzt sind. Solche Phenomene treten hauptsächlich bei der Druckmessung an'Triebwerken, an ballistischen Anlagen sowie auch in der Verfahrenstechnik auf. Bei diesen Messproblemen geht es darum, den Druckverlauf so zu messen, dass er möglichst unverfälscht von Temperaturänderungen des Messmediums ist.

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INSPECT«)

Es muss hier noch unterschieden werden zwischen Temperaturänderungen, die sich innert Millisekunden oder während Sekunden abspielen. Die Erfindung" bezieht sich auf die erste Gruppe, also auf sehr schnelle Temperatur änderungen wie sie hauptsächlich an Verbrennungsprozessen auftreten und wo gleichzeitig auch hohe Druckänderungen auftreten. So können z. B. in Dieselmotoren im Moment des Zündvorganges Temperatursteigerungen von weit über 1000⁰C innert Millisekunden oder deren Bruchteilen auftreten.

Die Messtechnik hat diese Schwierigkeiten mit verschiedenen Mitteln zu meistern versucht, leider ohne besondere Erfolge. Es ist heute noch nicht möglich den Druckverlauf einer Verbrennungskraftitiaschine so genau zu messen, dass Verbrennungsprozesse mit Computer verfolgt und damit auf den mechanischen wie auch auf den Verbrennungs- -wirkungsgrad der Maschine geschlossen werden kann. Für solche Aufgaben sind sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Druckerfassung des Zylinderraums nötig und eine Verfälschung durch Temperatureinflüsse von wenigen Prozenten ist bereits unzulässig.

Für ähnliche Messaufgaben hat sich bis heute praktisch nur die piezoelektrische Messtechnik einsetzen lassen, die Erfindung ist jedoch nicht an diese gebunden.

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In der Fach- wie auch in der Patentliteratur sind Konstruktionen bekannt geworden, welche einerseits möglichst wenig empfindliche Masseteile an die Druckaufnahmeflächeii platzieren, um die empfindlichen Kristalle in thermisch geschütztere Zonen zu verlegen. Andere Konstruktionen sehen Wärmestauplatten und wärmehemmende Ueherzüge vor. Ina Allgemeinen sind diese Methoden unbefriedigend, weil ' ■es nicht nur darauf ankommt die Messelemente vor Temperaturänderungen zu schützen, sondern auch die Membranpartien der Druckmesswandler. Diese ändern bekanntlich ihren Spannungszustand bei Temperaturänderungen, wodurch sich Kraftänderungen ergeben, die sich auf die Messelemente als Fehlsignal auswirken.

Der Gegenstand der Erfindung ist durch jahrelange Versuche so abgestimmt worden, dass damit erstmals Druckmesswandler gebaut werden können, welche gestatten, moderne analytische Auswertemethoden der Verbrennungsvorgänge anzuwenden. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beispielsweise erläutert:

Fig I zeigt einen Querschnitt durch einen älteren Druckmesswandler bei dem die Messkristalle von der Membranpartie zurückversetzt wurden.

Fig 2 zeigt einen Querschnitt durch die Membranpartie eines handelsüblichen Druckmesswandlers mit Schutzplatte.

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Fig 3 zeigte einen Querschnitt durch eine Frontpartie eines erfindungsgemässen Druckmesswandlers.

Die zum Stand der Technik gehörende Ausführung nach Fig I zeigt im Querschnitt die Einschraubpartie eines Druckmesswandlers. Darin

ist 1 der Kristallmesssatz, 2 die eingeklemmte Dichtmembrane gleichzeitig als Plattenvorspannfeder ausgebildet. Der Vorsatzkolben 3 ist mit dem Kraftübertragungsteller 4 und der Plattenfeder 2 verschraubt. Das Druckmedium tritt über den langen Ringkanal 5 auf die Membranpartie. Mit diesem Ringspalt wird eine wirkungsvolle Abkülilung heisser Gase erreicht, gleichzeitig ist der Kristallsatz ί vom Messmedium distanziert. Nachteil dieser Anordnung ist natürlich die Verschmutzungsanfälligkeit des" Ringkanals 5 sowie die grosse Masse des Vorsatzkolbens 3, der Beschleunigungsfehlsignale hervorruft.

Eine in vieler Hinsicht verbesserte Anordnung ist in-Fig 2 gezeigt. Die Plattenfedermembrane 21 ist durch Schweissung auf dem Gehäuse 22 aufgebracht und weist im Zentrum eine Verstärkung 25 auf. Auf dieser sitzt der Boden der Vorspannhülse 24 unter Vorspannung auf. In der Vorspannhülse 24 ist der Kristallsatz 23 untergebracht. Der vorstehende Teil der Platte 25 ist mit einer Wärmeschicht 27 aufgebracht. Auf der elastischen Ringpartie 26 der Membrane kann eine solche Schicht jedoch nicht aufgebracht werden.Um diesen Nachteil etwas zu verbessern

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Ist vorgeschlagen worden die Platte 25-mit einem tellerartigen Ansatz zu vorsehen, der einen Teil der elastischen Ringpartie überdecken soll. Diese Massnahme führt aber zu unerwünschten Schwingungsüberlagerungen des offenen Tellers. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die Schwcissui^ in einem thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Teil angebracht ist, was zu Ermüdungsbrüchen führen kann.

Diesem bekannten Stand der Technik, gegenüber, weist die Membranpärtie des erfindungsgemässen Wandlers ganz bedeutende Fortschrifft auf. Gemäss Fig· 3 ist der kraftempfindÜche Messsatz 31 unter Vorspannung durch ■ die rohrförmige Feder 33 direkt mit dem Aufnehmergehäuse verschweisst. In einer Zentrierung des Rohrbodens 32 ist das keramische Kraftübertragungsrohr 34 gehaltert, das sich auf die flache Membrane 35 abstützt. Die Membran 35 führt über in die Rohrpartie 36 die bis hinter die Dichtfläche 37 des Druckwandlers gebracht ist, wo sie durch Schweissung 38 mit dem Wandlerkörper 39 verbunden ist. Die Membranplatte 35 ist durch einen schmalen Einstich 40 unterteilt in die elastische Ringpartie 41 und in die Flammschutzhalterpartie 42. Durch die zylindrische Fortsetzung 44 dieser Partie wird das keramische Hitzeschild 43 unter radialer Verspannung umfasst und durch bekannte Mittel gesichert. Durch diese radiale Verspannung wird die dünne Ringpartie 42 versteift, so dass sie keine Eigenvibrätionen ausführen kann. Begrenzt durch die Einbaubohrung 46 entsteht ein kurzer Ringspalt 45, der auf günstigste Verhältnisse so abgestimmt ist, dass die empfindliche Membranpärtie 41 von der Flammfront nicht berührt wird. Durch die Abstimmung der Durchmesserverhältnisse D2/D1 ist es

auch möglich allfällige zu steile Druckanstiege auf ein gewünschtes tut* ab * 309849/0815

Mass zu dämpfen.

Zusätzlich wird der sehr feine Einstich 40 mit einer elastischen temperaturfesten Paste ausgefüllt. Durch die.Schutzwirkung des Ringkanals 45 auf die Einstichpartie 40 sowie durch die verspannte • Flammschutzplatte 43 aus einem keramischen oder glasähnlichen Material, mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizient und geringer Wärmeleitfähigkeit, wird die Membranplatte 35 mit ihren elastischen Ringpartien 41 nur massigen Temperaturverwerfungen ausgesetzt, so dass ihre Kraftrückwirkungen auf das Messelement 31 in zulässigen Grenzen bleiben. Zusätzlich ist aber das Messelement 31 durch das Keramikrohr 34 in befriedigender Weise von der Membranplatte 35 isoliert. Diese Isolation gilt nicht nur als Wärmeschutz, gleichzeitig kann damit das Messelement 31 auch elektrisch von der Membranpartie 35 wie auch von den äusseren Gehäusepartien 39 isoliert werden, was mess technische Vorteile bringt. Endlich bringt auch die Verlegung der Schweisspartie 38 hinter die Messwandlerdichtpartie 37 den grossen Vorteil, dass die Schweissungjen Druck- und Temperaturvarianten nicht zu folgen braucht, was sich in entsprechend erhöhter Lebensdauer auswirkt. Der leicht zugängliche Ringspalt 45, wie auch der Radialspalt 40 können wenn nötig nach Ausbau des Wandlers leicht gereinigt werden. Die erfindungsgemässe Ausführung erbringt damit erstmals bedeutende Fortschritte im Bau von Druckmesswandlern für Anwendung in thermisch stossweise beanspruchten Anordnungen.

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Claims

Patentansprüche

J) Druckmesswandler zur Messung von Drücken bei Verbrennungsvorgängen, mit einer Plattenmembran, die. mit Vorspannung auf dem Messelement montiert ist und den Boden eines Rohrkörpers bildet, der das Messelement enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Plattenmembran 35 durch einen sich mindestens angenähert bis zum halben Durchmesser der Plattenmembran erstreckenden Radialspalt 40 in eine elastische Membranpartie 4Ί und eine elastische Passung 42 für eine Wärmestauplatte 43 geteilt ist, wobei der Durchmesser Dp des zylindrischen Teils 44- dieser Fassung kleiner ist als der Durchmesser D. des Rohrkörpers 36.
2. Druckmesswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Messä_ement sich über ein keramisches Element 34 auf der Membranplatte 35 abstützi.
3- Druckmesswandler mit Plattenmembran nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenmembran 35 mit dem Rohrkörper 36 aus einem Stück gearbeitet ist und dieser mit dem übrigen Gehäuseteil 39 verschweißt ist.
4. Druckmesswandler nach Patentanspruch, 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Radialspalt 40 mit einer elastischen temperaturfesten Masse aufgefüllt ist.

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5· Druckmesswandler mit Plattenmembran nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestauplatte aus einem flaminfesten Glas oder Keramikmaterial besteht und unter mechanischer Vorspannung mit der Platte verbunden ist.

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