DE2318128C3

DE2318128C3 - Druckmeßwandler

Info

Publication number: DE2318128C3
Application number: DE2318128A
Authority: DE
Inventors: Paul Ober-Ohringen Engeler; Eugen Winterthur Lutz Jun.; Hans Conrad Dipl.- Masch.-Ing. Neftenbach Sonderegger
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-11
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DK136500B; GB1363407A; DE2318128A1; DK136500C; AT349796B; US3857287A; ATA312873A; DE2318128B2; CH537013A

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 d?s Meßelement vorgespannt ist und den Boden eines Rohrkörpers bildet, der das Meßelement enthält.

Bei einem bekannten Druckmeßwandler dieser An (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 fiapfförmige Hülse durch Schweißung 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 Plattenmembräri abgeschlossene Hülse ist in der Nähe des membranseitigen Elides etwas verjüngt und es ist auf diese Verjüngung eine Weitere Schutzhülse aufgeschoben und durch Schweißung 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 ist als der Durchmesser des Wärmestaukörpers bzw. der diesen Haltenden Fassung. Die Plattenmembran ist also vor direkten Flammeinwirkungen einerseits üiirch 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. Durcii den relativ engen Ringspalt und zusatzlich durch einen am Grunde dieses Ringspaltes an

I^ die Membran angrenzend angeordneten Radialspalt wird die Einwirkung von Temperalurstößen von Flammfronten auf die Membran herabgesetzt. Von Nachteil ist jedoch bei dieser bekannten 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 d;r angrenzenden Radialnut befindliche Ablagerungen sind ohnedies völlig unzugänglich. Es weist daher dieser bekannte Druckmeßwandler unter erschwerten Einsatzbedingungen, wie sie bei der

!0 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 Wärmeschutzplatte 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 dei Keramikzwischenstückes, das den raschen Übergang von Temperaturspitzen auf das 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 /u entwickeln, daß er sich für die Anwendung in thermisch stoßweise beanspruchten Anordnungen gut eignet und eine erhöhte Einsatz- bzw. Lebensdauer bei geringer Wärmebeeinflussung der Druckmeßergebnissc 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 wenig kleiner ist als der Durchmesser des Rohrkörpers, so daß die empfindliche Membranpartie durch Serienschaltung eines Ringspaltes und eines Radialspalles 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 1000°C 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 Wärmedehung, z. B. einem glas- oder keramikartigen Material, besteht. Durch die Verwendung der Wärmestauplatte aus speziell geeigneten Materialien wird ein guter Schutz gegen kurzzeitige thermische F.nitzenbelastungen 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 JO befriedigender Weise thermisch von der Membranplat te isoliert ist, sondern daß diese Isolation außer als Wärmeschutz auch gleichzeitig noch als elektrische Isolation wirkt, was meßtechnische Vorteile hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- J5 dung ist die Plattenmembran mit dem Druckkörper aus einem Stück gearbeitet und dieser mit einem Gehäuseteil hinter einer Dichtung verschweißt. Das letztere Merkmal hit vor allem den Vorteil, daß die Schweißung, die stets 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 Radialspa't mit einer elastischer, temperaturfesten Masse ausgefüllt, was den Vorteil hat, daß sich in diesem feinen Spalt keine die Eigenschaften des Druckmeßwandlers verändernden Ablagerungen festsetzen können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren beispielsweise erläutert

Fig. I zeigt einen Querschnitt durch einen alleren Druckmeßwandler, bei dem die Meßkristalle von der Membranpartie 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. &o

Die zum Stand der Technik gehörende Ausführung nach Fig. 1 zeigt im Querschnitt die Einschraubpartie eines Druckmeßwandlers. Darin ist 1 ein Krislallmeßsatz, 2 eine eingeklemmte Dichtmembrane gleichzeitig als Plätlertvorspämifeder ausgebildet Ein Vorsatzkolben 3 ist mit einem KraftübertragUngsleller 4 und der Plattenfeder 2 verschraubt. Das Druckmedium tritt über einen langen Ringkanal 5 auf die Membranpartie. Mit diesem Ringspalt w.rd eine wirkungsvolle Abkühlung heißer Gase erreicht, gleichzeitig ist der Kristallsatz 1 vom Meßmedium distanziert. Nachteil dieser Anordnung ist natürlich die Verschmutzungsanfälligkeit des Ringkanals 5 sowie die große Masse des Vorsatzkolbens 3, der Beschleunigiingsfehlsignale hervorruft.

Eine in vieler Hinsicht verbesserte Anordnung ist in Fi g. 2 gezeigt. Eine Plattenfedermembrane 21 ist durch Schweißung auf einem Gehäuse 22 aufgebracht und weist im Zentrum eine Verstärkung 25 auf. Auf 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 elastischen 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 el?"ischen Ringpartie überdecken soll. Diese Maßnahn·? führt aber /n unerwünschten Schwingungsüberlagerungen des offenen Tellers. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Schweißung in einem thermisch und mechanisch hochbeanspruchten Teil angebracht ist. was zu Ermüdungsijrüchen führen kann

Diesem bekannten Stand der Technik gegenüber weist die Membranpartie des neuen Wandlers einen ganz bedeutenden Fortschritt auf. Gemäß F ι g. 3 ist ein kraftempfindlicher Meßsatz 31 unter Vorspannung durch eine rohrförmige Feder 33 direkt mn dem Aufnehmergehäuse (39) verschweißt. In einer Zentrierung des Rohrbodens 32 ist ein keramisches Kraftubertragungsrohr 34 gehaltert, das sich auf eine flache Membrane 35 abstützt. Die Membran 35 führt über in eine Rohrpartie 36. die bis hinter eine Dich'fläche 37 des Druckwandlers gebracht ist, wo sie durch Schweißung 38 mit einem Wandlerkörper 39 verbunden is¹. Die Membranplatte 35 ist durch einen schmalen Einstich 40 unterteilt in eine elastische Ringpartie 41 und in eine Flammschutzhalterpartie 42. Durch eine zylindrische Fortsetzung 44 dieser Partie wird ein keramisches Hitzeschild 43 unter radialer Verspannung umfaßt und durch bekannte Mittel gesichert. Durch ditse radiale Verspannung wird die dünne Ringpart'e 42 ver.teift. so daß sie keine Eigenvibrationen ausführen kann. Begrenzt durch die Einbaubohrung 46 entstehl ein kurzer Ringspalt 45. der auf gunstigste Verhältnisse so abgestimmt ist. daß die empfindliche Membranpartie 41 von der Flammfront nicht berührt wird. Durch die Abstimmung der Durchmesserverhältnisse D^lD\ ist es auch möglich, etwaige zu steile Druckanstiege auf ε;η 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 Eiustichpartie 40 sowie durch die vorgespannte Flammschutzplatte 43 aus einem keramischen oder glasähnlichen Material, mit geringem Wärmp^usdehnungskoeffizient und geringer Wärmeleitfähigkeit, wird die N'embranplatte 35 mit ihren elastischen Ringpartien 4! nur mäßigen Temperaturverwerfuhgen ausgesetzt, so daß ihre Kraftrückwirkungen auf das Meßelement 31 in zulässigen Grenzen bleiben. Zusätzlich ist aber das Meßelement 31 durch das Keramikrohr ?4 in befriedigender Weise von der Membranplatte 35 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 Gehäusepartien 39 isoliert

werden, was meßtechnische Vorteile bringt. Endlich bringt auch die Verlegung der Sciiweißpariie 38 hinter die Mcßwandlcr 37 den größen Vorteil, daß die Schweißung den Druck- und Temperaiurschwafikungen nicht zu folgen braucht was sich ih entsprechend erhöhter Lebensdauer auswirkt. Der leicht zugängliche Ringspalt 45, wie auch der Radialspalt 40 können, wenn nötig, nach Ausbau des Wandlers leiciil gereinigt werden. Diese Ausführung erbringt damit erstmals bedeutende Föftschfiffc iffi Bau von DruckrncDwand^ lern für Anwendung in thermisch' stoßweise bean' spruchten Anordnungen.

Hierzu 1 Blatt 2!eichiiüngen

Claims

Patentansprüche:

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 (D₂) des zylindrischen Teils (44) dieser Fassung wenig kleiner ist als der Durchmesser (D₁) 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 Begrenzung des Ringspaltes (45) bildet.

2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, dadlirch 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. Oruckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Meßelement (31) über c.n keramisches Rohrelement (34) gegen die PIattenmembran.,'35) abs 'jtzt.

4. Druckmeßwandle¹· mit Plattenmembran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, \idurch gekennzeichnet, daß die Plattenmembran (35) mil 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.