DE2318128B2 - Druckmeßwandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Druckmeßwandler zur Messung von Drücken bei Verbrennungsvorgängen, mit
einer an der dem zu messenden Medium zugewandten Seite eine Wärmestauplatte tragenden Plattenmembran,
die gegen das Meßelement vorgespannt ist und den Boden eines Rohrkörpers bildet, der das Meßelement
enthält.
Bei einem bekannten Druckmeßwandler dieser Art (DE-OS 19 00 970) ist das Meßelement in einer
rohrförmigen Hülse untergebracht, an deren Stirnseite eine Plattenmembran vorgesehen ist, die unter Vorspannung
an dem Meßelement anliegt und an der Stirnseite der Hülse durch Schweißung befestigt ist. Im
zentralen Bereich dieser Plattenmembran ist eine napfförmige Hülse durch Sehweißung befestigt, deren
freier Rand etwas eingezogen ist und in eine Nut eines Wärmestaukörpers eingreift und diesen hält. Die das
Meßelement umgebende und an ihrer Stirnseite durch die Plattenmembran abgeschlossene Hülse ist in der
Nähe des membranseitigen Endes etwas verjüngt und es ist auf diese Verjüngung eine weitere Schutzhülse
aufgeschoben und durch Sehweißung an der Hülse befestigt. Dabei weist diese Schutzhülse eine Schulter
auf, mit der sie an dem äußeren Rand der Membran anliegt. An diese Schulter angrenzend ist ein Absatz
eingearbeitet, der zu einer Bohrung in der Schutzhülse übergeht, deren Durchmesser geringfügig größer isi als
der Durchmesser des Wärmestaukörpers bzw. der diesen Haltenden Fassung. Die Plattenmembran ist also
vor direkten Flammeinwirkungen einerseits durch den Wärmestaukörper geschützt und andererseits dem
ίο Druck des zu messenden Mediums ausgesetzt, da sich
dieser Druck durch einen zwischen dem Wärmestaukörper und der Schutzhülse befindlichen Ringspalt
ausbreiten kann. Durch den relativ engen Ringspalt und zusätzlich durch einen am Grunde dieses Ringspaltes an
1^ die Membran angrenzend angeordneten Radialspalt
wird die Einwirkung von Temperaturstößen von Flammfronten auf die Membran herabgesetzt. Von
Nachteil ist jedoch bei dieser bekannter Anordnung, daß eine Reihe von Schweißstellen im heißen Bereich
des Gebers vorhanden sind und daß der Ringspalt relativ leicht mit Verbrennungsrückständen zusetzen
kann, was zu Meßungsgenauigkeit führt. Eine Reinigung des Ringspaltes ist praktisch ausgeschlossen, weil er
sehr eng sein muß, um die gewünschte Schutzwirkung
& zu entfalten und weil er nur von seiner Stirnseite her
zugänglich ist. In der angrenzenden Radialnut befindliche Ablagerungen sind ohnedies völlig unzugänglich. Es
weist daher dieser bekannte Druckmeßwandler unter erschwerten Einsatzbedingungen, wie sie bei der
«> Messung von Drücken bei Verbrennungsvorgängen häufig vorkommen, nur eine begrenzte Lebensdauer
auf. Es ist auch ein Druckmeßwandler bekannt (CH-PS 4 45 152), bei dem eine Plattenmembran durch einen
Einstich mehrteilig ausgebildet ist; es ist jedoch der
!■> durch den Einstich abgetrennte Frontbereich selbst als
(nicht ausreichend wirksame) Wärmeschutzplatte ausgebildet und es ist der auf Biegung beanspruchte
Ringbereich der Plattenmembran unmittelbar den Flammfronten ausgesetzt, weil nämlich die Wärme-
■»o schutzplatte einen kleineren Durchmesser aufweist als
der hauptsächlich beanspruchte Bereich der Plattenmembran. Auch ist von Nachteil, daß die gewünschte
thermische Isolation durch ein Keramikzwischenstück dadurch weitgehend unwirksam gemacht wird, daß
■*■>
durch die das Keramikzwischenstück umgebende Rohrwand ein Wärmenebenschluß besteht. Aufgrund
der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von Metall wird die Schutzwirkung des Keramikzwischenslückes, das den
raschen Übergang von Temperaturspitzen auf das
v> Kraftmeßelement und die das Kraftelement umgebende
Rohrfeder verhindern soll, weitgehend aufgehoben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. einen Druckmeßwandler der eingangs genannten Art so
weiter zu entwickeln, daß er sich für die Anwendung in
■>5 thermisch stoßweise beanspruchten Anordnungen gut
eignet und eine erhöhte Einsatz- bzw. Lebensdauer bei geringer Wärmabeeinflussungder Druckmeßergebnisse
erreicht.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die kreisförmige Plattenmembran
selbst durch einen Radialeinstich in eine elastische Membranpartie und die elastisch ausgebildete Fassung
für die Wärmestauplatte geteilt ist, wobei der Durchmesser des zylindrischen Teils dieser Fassung
ft1; wenig kleiner ist als der Durchmesser des Rohrkörpers,
so daß dip empfindliche Membranpartie durch Serienschaltung eines Ringspaltes und eines Radialspaltes vor
Flammfronten im Brennraum geschützt ist, wobei die
Brennraumwand die äußere Begrenzung des Ringspaltes bildet.
Von Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Druckmeßwandler die geringe, erzielte Wärmebeeinflussung
und die hohe erreichte Widerstandsfähigkeit gegen thermisch stoßweise Beanspruchungen, wie beispielsweise
in Dieselmotoren im Moment des Zündvorgangs. wo innerhalb von Millisekunden Temperaturerhöhungen
um mehr als 10000C auftreten können. Wesentlich
ist für einen Meßwandler ferner, daß durch derartige thermische stoßweise Beanspruchungen das Druckmeßergebnis
nicht unzulässig stark verfälscht wird. Auch dies ist bei dem erfindungsgemäßen Meßwandler erzielt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der elastischen Fassung eine radial
verspannte Wärmestauplatte eingebaut, die aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer
Wäi medehung, z. B. einem glas- oder keramikartigen Material, besteht. Durch die Verwendung der Wärmestauplatte
aus speziell geeigneten Materialien wird ein guter Schutz gegen kurzzeitige thermische Spitzenbelastungen
erzielt. Durch diese radiale Verspannung werden Rückwirkungen auf das Meßelement vermindert.
Durch die radiale Verspannung wird nämlich die elastische Fassung versteift, so daß Eigenvibrationen
weitgehend unterdrückt werden. In bevorzugter weiterer Ausgestaltung der Erfindung stützt sich das
Meßelement über ein keramisches Rohrelement gegen die Plattenmembran ab. Dies hat den Vorteil, daß nicht
nur das Meßelement durch das Keramikrohr in befriedigender Weise thermisch von der Membranplatte
isoliert ist, sondern daß diese Isolation außer ais Wärmeschutz auch gleichzeitig noch als elektrische
Isolation wirkt, was meßtechnische Vorteile hat.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Plattenmembran mit dem Druckkörper aus
einem Stück gearbeitet und dieser mit einem Gehäuseteil hinter einer Dichtung verschweißt. Das letztere
Merkmal hat vor allem den Vorteil, daß die Schweißung, die stetr mit Gefügeänderungen verbunden ist, den
Druck- und Temperaturschwankungen nicht in einem entsprechenden Ausmaß zu folgen braucht, was zu einer
erhöhten Lebensdauer führt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Radialspalt mit einer elastischen, temperaturfesten
Masse /lusgefülll, was den Vorteii hat. daß sich in diesem feinen Spalt keine die Eigenschaften des Druckmeöwandlers
verändernden Ablagerungen festsetzen können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der
Zeichnung dargestellten Figuren beispielsweise erläutert
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen älteren Druckmeßwandler, bei dem die Meßkristalle von der
Membranpartit zurückversetzt sind,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Membranpartie
eines handelsüblichen Druckmeßwandlers mit Schutzplatte,
F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Frontpartie des neuen Druckmeßwandlers.
Die zum Stand der Technik gehörende Ausführung nach F i g. I zeigt im Querschnitt die Einschraubpartie
eines Druckmeßwandlers. Darin ist 1 ein Kristallmeßsatz, 2 eine eingeklemmte Dichtmembrane gleichzeitig
als PliHtenvorsoannfeder ausgebildet. Ein Vorsatzkol
ben 3 ist mit einem Kraftiibertragungstcller 4 und der Plattenfeder 2 versciraubt. Das Druckmedium tritt über
einen langen Ringkanal 5 auf die Membranpartie. Mit
diesem Ringspalt wird eine wirkungsvolle Abkühlung heißer Gase erreicht, gleichzeitig ist der Kristallin/ 1
vom Meßmedium distanziert. Nachteil dieser Anordnung ist natürlich die Verschmutzungsanfälligkei! dei
Ringkanals 5 sowie die große Masse des Vorsatzkolbens 3, der Beschleunigungsfehlsignale hervorruft.
Eine in vieler Hinsicht verbesserte Anordnung ist in
F i g. 2 gezeigt. Eine Plattenfedermembrane 21 ist durch Schweißung auf einem Gehäuse 22 aufgebracht und
weist im Zentrum eine Verstärkung 25 auf. A'jf dieser
sitzt der Boden einer Vorspannhülse 24 unter Vorspannung auf. In der Vorspannhülse 24 ist ein
Kristallsatz 23 untergebracht. Der vorstehende Teil der Platte 25 ist mit einer Wärmeschutzschicht 27 versehen.
Auf einer elasiischen Ringpartie 26 der Membrane kann eine solche Schicht jedoch nicht aufgebracht werden.
Um diesen Nachteil etwas zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, die Platte 25 mit einem tellerartigen Ansatz
zu versehen, der einen Teil der elastischen Ringpanl·.1
überdecken soll. Diese MaBnr'rme führt aber zu
unerwünschten Schwingungsübcricgcrungcn des offenen
Tellers. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Schweißung in einem thermisch und mechanisch
hochbeanspruchten Teil angebracht ist, was zu Ermüdunjsbrüchen führen kann.
Diesem bekannten Stand der Technik gegenüber weist die Membranpartie des neuen Wandlers einen
ganz bedeutenden Fortschritt auf. Gemäß F i g. 3 isi ein
kraftempfindlicher Meßsatz 31 fnter Vorspannung
durch eine rohrförmige Feder 33 direkt mit dem Aufnehmergehäuse (39) verschweißt. In einer Zentrierung
des Rohrbodens 32 ist ein keramisches Kraftübertragungsrohr 34 gehaltert, das sich auf eine flach«;
Membrane 35 abstützt. Die Membran 35 führt über in eine Rohrpartie 36, die bis hinter eine Dichtfläche 37 des
Druckwandlers gebracht ist, wo sie durch Schweißung 38 mit einem Wandlerkörper 39 verbunden ist. Die
Membranplatte 35 ist durch einen schmalen Finstich 40 unterteilt in eine elastische Ringpartie 41 und in eine
Flammschutzhalterpartie 42. Durch eine zylindrische Tortsetzung 44 dieser Partie wird ein keramisches
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 Eigenvibrationen ausfüllten kann.
Begrenzt durch die Einbaubohrung 46 entsteht ein kurzer Ringspalt 45, der auf günstigste Verhältnisse so
abgestimmt ist, daß die empfindliche Membranpartie 41 von der Flammfront nicht berührt wird. Durch die
Abstimmung der Durchmesserverhältnisse ChID\ ist es auch möglich, eiwaige zu steile Druckanstiege auf ein
gewünschtes 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 vorgespannte Flammschutzplatte 43
aus einem keramischen oder glasähnlichen Material, mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizient und geringer
Wärmeleitfähigkeit, wird die Membranplatte 35 mit ihren elastischen Ringpartien 41 nur mäßigen Temperaturverwerfungen
ausgesetzt, so daß ihre Krafirückwirkungen
auf das Meßelement 31 in zulässigen Grenzen bleiben. Zusätzlich ist aber das Meßelement 31 durch
das Keramikrohr 34 in befriedigender Weise von der Membranplattc *5 isoliert. Diese Isolation gilt nicht
mehr als Wärmeschutz, gleichzeitig kann damit das Meßelement 31 auch elektrisch von der Membranpartie
35 wie auch von den äußeren Gehäuseoartien V* isoliert
werden, was mcßtcrhinsche Vorteile bringt, f-ndlich
bringt auch die Verlegung der Schweißpartic 38 hinter die Meßwandler 37 den großen Vorteil, daß die
Schweißung den Druck- und Tcmpcralurschwankungen nicht zu folgen braucht, was sich in entsprechend
erhöhter Lebensdauer auswirkt. Der leicht zugangliche Ringspalt 45. wie auch der Kadialspalt 40 können, wenn
nötig, nach Ausbau d; % Wandlers leicht gereinigt
werden. Diese Ausführung erbringt damit erstmals bedeutende Fortschritte im Bau von Druckmcßwandlern
für Anwendung in thermisch stoßweise bein
spruchten Anordnungen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Druckmeßwandler zur Messung von Drücken bei Verbrennungsvorgängen, mit einer an dem zu
messenden Medium zugewandten Seite eine Wärmestauplatte tragenden Plattenmembran, die gegen
das Meßelement vorgespannt ist und den Boden eines Rohrkörpers bildet, der das Meßelement
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Plattenmembran (35) selbst durch
einen Radialeinstich (40) in eine elastische Membranpartie (41) und die elastisch ausgebildete
Fassung (42) für die Wärmestauplatte (43) geteilt ist, wobei der Durchmesser (Di) des zylindrischen Teils
(44) dieser Fassung wenig kleiner ist als der Durchmesser (Dt) des Rohrkörpers (36), so daß die
empfindliche Membranpartie (41) durch Serienschaltung eines Ringspaltes (45) und eines Radialspaltes
(40) vor Flammfronten im Brennraum geschützt ist, wobei die Brennraumwand (46) die äußere Begrenzungdes
Ringspaltes (45) bildet
2. Druckmeßwandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß in der elastischen Fassung (42)
eine radial verspannnte Wärmestauplatte (43) eingebaut ist, die aus einem Material geringer
Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmedehnung, z. B. einem glas- oder keramikartigen Material,
besteht.
3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Meßelement
(31) über ein keramisches Rohrelement (34) gegen die Plattcnmembran (35) abstützt.
4. Druckmeßw.-ndler ,it Plattenmembran nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platienmiv ibran (35) mit dem
Rohrkörper (36) aus einem Stück gearbeitet ist und dieser mit einem Gehäuseteil (39) hinter einer
Dichtung (37) verschweißt ist.
5. Druckmeßwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Radialspalt (40) mit einer elastischen, temperaturfesten Masse ausgefüllt ist.
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