DE2351940B2 - Druckmeßsonde - Google Patents

Description

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Druckmeßsonde.

In der Fig. 1 sind schematisch zwei Druckmeßsonden 10 dargestellt, die an einem Venturirohr 20 befestigt sind. Eine Sonde ist im Einlaufbereich des Ven- '' turirohres und die andere Sonde im Düsenbereich angeordnet. In der Fig. 2 ist eine Möglichkeit der Befestigung einer Sonde am Venturirohr dargestellt. An der Außenseite der Wand 22 des Venturirohres ist in dem Bereich, in welchem die Druckmeßsonde hefe- m stigt werden soll, ein Anguß 21 vorgesehen. Von der Innenflächt 23 des Venturirohres ist durch die Wand

22 eine innere Bohrung 26 geführt, die sich im Anguß 21 zu einer äußeren Bohrung 24 mit einem größeren Durchmesser erweitert. Der Durchmesser der inneren r» Bohrung 26 entspricht im wesentlichen dem Außendurchmesser des Endteils 12 der Druckmeßsonde. Ein Teil der äußeren Bohrung 24 ist mit einem Gewinde 25 ausgestattet, in welches eine Dichtungsbuchse 28 eingeschraubt wird. Die Buchse 28 ist mit einer Boh- 2u rung 29 versehen, deren Durchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser des in die Bohrung 29 eingesetzten Hauptteils der Druckmeßsonde entspricht. In der Bohrung 29 ist eine Ringnut 30 angebracht, die zur Aufnahme eines O-Ringes 32 dient, 2^r> so daß eine druckdichte Abdichtung zur Verhinderung einer Leckage zwischen dem Sondenkörper und der " Dichtungsbuchse hindurch nach außen geschaffen wird. Der Endteil 12 der Druckmeßsonde wird so tief in die innere Bohrung 26 eingesetzt, daß die an der to Stirnfläche angebrachte Membran mit der Innenfläche

23 des Rohres gerade in einer Ebene liegt. Die Sende wird dann in dieser Lage mittels einer Arretierschraube 34 festgelegt.

Die zweite Sonde wird auf gleiche Weise an dem r> zweiten vorbeschriebenen Druckmeßpunkt in dem Venturirohr installiert.

Ein Ausführungsbeispiel einer Druckmeßsonde ist in Fig. 3 dargestellt. Die Meßsonde 10 hat ein dicht verschlossenes Gehäuse 13 mit einem inneren Hohlraum 14, in welchem die beweglichen Teile der Sonde angeordnet sind. Am Gehäuse 13 ist ein Flüssigkeitszulauf 15 angebracht, dem eine unter einem geeigneten Druck stehende Flüssigkeit zugeführt wird. Die Druckflüssigkeit tritt durch eine Drosselbohrung 15a in die Sonde ein und strömt in den Hohlraum 14 der Sonde. Der Hohlraum 14 steht außerdem mit einem nach außen führenden Druckmeßanschluß 16 und einem Flüssigkeitsablauf 19 in Verbindung; er ist im übrigen durch die Innenwandung 17 des Gehäuses 13 und die an dessen Stirnseite angebrachte Membran 18 begrenzt. An der Membran 18 ist ein Verbindungsstück 40 befestigt, in das eine Stange 41 eingeschraubt ist. Die Membran, das Verbindungsstück und die Stange bewegen sich als Einheit in Abhängigkeit von dem Druckunterschied auf den beiden Seiten der Membran. Die Stange 41 wird durch eine Führung 44 zentrisch geführt und hat eine solche Länge, daß die Stirnfläche 48 an ihrem freien Ende sich als Prallfläche in der Nähe einer Austrittsdüse 46 befindet, wenn die Membran ihre Neutralstellung einnimmt (in der ihre Außenfläche vollständig eben ist). Die Austrittsdüse 46 liegt in der Verbindung zwischen dem Hohlraum 14 und dem Flüssigkeitsablauf 19. Eine Druckfeder 49 umgibt die Stange 41 und ist einerseits am Verbindungsstück 40 und andererseits an der Führung 44 befestigt.

Wenn die Prallfläche 48 die Düse 46 berührt, unterbricht sie den Durchtritt der Flüssigkeit von dem Hohlraum 14 zum Flüssigkeitsablauf 19. Wenn die Prallfläche 48 von der Düse 46 abgehoben wird, fließt Flüssigkeit durch die Düse 46 ab. Die effektive Größe des Durchlasses und infolgedessen der Widerstand gegenüber der Flüssigkeitsströmung hängen von dem Abstand zwischen der Prallfläche 48 und der Düse 46 ab. Die Funktion einer solchen mit einer Düse zusammenwirkenden Prallfläche ist an sich bekannt.

Im nachfolgenden soll die Funktion der Druckmeßsonde beschrieben werden. Dabei wird von folgenden Annahmen ausgegangen:

1. Der Flüssigkeitsdruck der dem Flüssigkeitszulauf 15 zugeführten Druckflüssigkeit ist wesentlich größer als der zu messende Druck, welcher auf die Außenfläche der Membran 18 wirkt;

2. der Druck der am Flüssigkeitsablauf 19 austretenden Flüssigkeit ist wesentlich kleiner als der zu messende Druck;

3. die Druckfeder 49 ist so eingestellt, daß sie keine Kraft auf die Membran 18 ausübt, wenn sich diese in ihrer neutralen Lage befindet.

Im Zustand I, in welchem sich die Sonde im Gleichgewichtszustand befindet, ist der in der Sonde herrsehende Druck im wesentlichen gleich dem außerhalb der Sonde herrschenden Druck, so daß die Kräfte, die auf die sich in ihrer Neutralstellung befindenden Membran 18 ausgeübt werden, genau ausgeglichen sind. In dieser Neutralstellung der Membran nimmt die Prallfläche 48 gegenüber der Düse 46 eine solche Lage ein, daß innerhalb der Sonde ein Druck erzeugt wird, der dem auf der Außenseite der Membran herrschenden Druck entspricht.

Im Zustand II wird angenommen, daß der auf die Außenfläche der Membran wirkende Druck zunimmt. Da die Kräfte nicht mehr genau ausgeglichen sind, wird die Prallfläche näher an die Düse heranbewegt. Wenn dies geschieht, dann nimmt die Drosselwirkung zu, welche die Düse auf die hindurchströmende Flüssigkeitsströmung ausübt, und der innerhalb der Sonde herrschende Druck nimmt entsprechend zu. Ein neuer Gleichgewichtszustand wird erreicht, wenn der innerhalb der Sonde herrschende Druck wieder im wesentlichen dem außerhalb der Sonde herrschenden Druck entspricht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Prallfläche etwas auf die Düse zubewegt werden muß, damit ein neuer höherer Druck innerhalb der Sonde erzeugt wird. Jedoch kann diese dauernde Lageänderung wegen der extremen Empfindlichkeit des innerhalb der Sonde herrschenden Druckes auf die Lage der Prallfläche sehr klein sein und nur wenige Mikron betragen.

Im Zustand III fällt der außerhalb der Membran 18 herrschende Druck ab, und die Prallfläche 48 bewegt sich von der Düse 46 etwas weg in eine neue Position gegenüber der Düse. Hierdurch wird ein neuer niedrigerer Druck innerhalb der Sonde geschaffen, der im wesentlichen dem neuen niedrigeren Druck außerhalb der Sonde entspricht.

Auf diese Weise folgen die Druckänderungen innerhalb der Sonde sowie in dem an den Druckmeßanschluß 16 angeschlossenen Druckmeßsystem den Druckänderungen, die auf die Außenfläche der Membran einwirken.

In der vorstehenden Beschreibung wurde die Funktionsweise für den Fall erläutert, daß die Druckfeder 49 keine Kraft auf die Membran ausübt. Es soll nun der Zustand beschrieben werden, bei welchem die

Druckfeder derart eingestellt ist, daß sie die Membran 18 nach innen zieht. Bei einem ausgeglichenen Zustand der auf die Innenseite und die Außenseite der Membran wirkenden Drücke ist das System nicht mehr genau ausbalanciert, da der Federkraft kein Kraft entgegenwirkt. Die Bewegung der Prallfläche in Richtung auf die Düse nimmt daher zu, bis eine zusätzliche Druckzunahme innerhalb der Sonde erzeugt wird, die auf die Wirkfläche der Membran einwirkt und eine zusätzliche Kraft erzeugt, die die Federkraft ausgleicht. Nun besteht ein neues Gleichgewicht, und der innerhalb der Sonde herrschende Druck gleicht den außerhalb der Sonde herrschenden Druck plus die durch die Zugkraft der Feder erzeugte Kraft aus. Da die Federzugkraft im wesentlichen konstant ist, folgt daraus, daß der innerhalb der Sonde herrschende Druck immer um einen konstanten Betrag größer ist als der außerhalb der Sonde herrschende Druck. Jedoch sind die Druckänderungen innerhalb der Sonde im wesentlichen immer gleich den Druckänderungen außerhalb der Sonde.

In der vorstehenden Beschreibung der Funktionsweise wurde hervorgehoben, daß es notwendig ist, daß die Prallfläche ihre Lage gegenüber der Düse verändert, damit eine neue Gleichgewichtslage erhalten wird, wenn sich der auf die Außenseite der Membran wirkende Druck ändert. Diese Lageänderung, wie klein sie auch sein mag, hat in Verbindung mit der Kraft der Druckfeder, der durch die Elastizität der Membran hervorgerufenen Federkraft, der Wirkflächenänderung der Membran und den Änderungen in der Reaktionskraft des Flüssigkeitsstromes auf die wiedereingestellte Prallfläche zur Folge, daß die Druckänderungen innerhalb der Sonde nicht genau den außerhalb der Sonde erfolgenden Druckänderungen entsprechen. Bei sehr genauen Druckänderungswiedergaben ist dieser Fehler insbesondere in den Fällen nicht zulässig, in denen der gemessene Druck sich beträchtlich ändert.

Bei einem vorgegebenen Eintritts- und Austrittsdruck, vorgegebenen Abmessungen für die Drosselbohrung und die Düse und einer vorgegebenen Lage der Prallfläche in bezug auf die Düse innerhalb des Drosselbereiches liegt der Druck innerhalb der Sonde bei einem mittleren Wert zwischen dem Eintrittsdruck und dem Austrittsdruck. Wenn sowohl der Eintrittsais auch der Austrittsdruck um genau denselben vorgegebenen Betrag geändert werden, dann ändert sich der mittlere Druck ebenfalls um genau den gleichen vorgegebenen Betrag, ohne daß irgendeine Änderung

in der Lage der Prallfläche gegenüber der Düse erfor derlich wäre, da der Druckabfall in dem System um daher die Flüssigkeitsströmung durch das System um der Druckabfall in der Drosselbohrung konstan bleibt. Durch eine Änderung des Förder- und Aus trittsdruckes im Verhältnis 1 : 1 zu den Austritts druckänderungen der Sonde kann erreicht werden daß letztere den Druckänderungen folgen, die auf dl· Außenfläche der Membran einwirken, ohne daß ir gendwelche dauernden Lageänderungen der Prallflä ehe und damit zusammenhängende Fehler auftreter

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird der am Druck meßanschluß 16 verfügbare Austrittsdruck P de Sonde als Steuerdruck für zwei flüssigkeitsgesteuert! Druckregler 60 und 62 verwendet. Der Druckregle 60 wirkt auf den Flüssigkeitsdruck am Flüssigkeitszu lauf 15 der Sonde ein, und der Druckregler 62 wirk auf den Flüssigkeitsdruck am Flüssigkeitsablauf 19 de Sonde ein. Der Druckregler 60 wird von einer Fede mit der Federkonstante C, beaufschlagt, so daß seil Ausgangsdruck immer um einen bestimmten Betraj über dem Steuerdruck gehalten wird. In gleiche Weise wird der Druckregler 62 für den Austrittsdrucl mittels einer Feder mit einer Federkonstante C₂ be aufschlagt, damit sein Eingangsdruck immer um einei bestimmten Betrag unter dem Steuerdruck liegt. Di< beiden Druckregler wirken auf die Flüssigkeitsströ mung so ein, daß diese Druckregelbedingungen stet erfüllt sind. Die Konstruktion und das Betriebsverhai ten solcher Druckregler, deren Funktion im voranste henden beschrieben wurde, sind an sich bekannt, um geeignete Druckregler sind im Handel erhältlich. Si< sollen daher nicht im einzelnen beschrieben werden

Jeder der beiden in Fig. 1 gezeigten Druckmeß sondensysteme erzeugt einen Ausgangsdruck, dessei Änderungen den an der Außenfläche der Membrai 18 anliegenden Druckänderungen im Verhältnis 1 :
folgen. Im Gleichgewichtszustand handelt es sich un ein genau wirkendes Nullabgleichsystem, so daß keil Fehler auftritt, der der gemessenen Druckgröße pro portional ist. Das Auflösungsvermögen ist unendlicl groß. Das System kann auch so vorgespannt werden daß ein Ausgangsdruck erhalten wird, der um einei vorgegebenen konstanten Betrag größer oder niedri ger als der zu messende Druck ist. Die Ansprechge schwindigkeit der Sonde hängt von der Drosselboh rung und den Abmessungen der Düse ab, die dei maximalen Druckanstieg bzw. Druckabfall innerhalt der Sonde in dem angeschlossenen Druckmeßsysten bestimmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Druckmeßsonde mit einem Druckmeßraum, der durch eine von dem zu messenden Druck zu beaufschlagende elastische Membran verschlossen ist, einem mit dem Druckmeßraum verbundenen Flüssigkeitszulauf, in welchem eine Drosselstelle angeordnet ist, einem Flüssigkeitsablauf, der mit dem Druckmeßraum über eine Düse verbunden ist, die mit einer von der Membran betätigten Prallfläche zusammenwirkt, und mit einer an den Druckmeßraum angeschlossenen Druckmeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Flüssigkeitszulauf (15,115) vor der Drosselsteile (ISa, 115a) ein Druckregler (60) verbunden ist, der den Ausgangsdruck (P) des Druckmeßraums (14,114) als Steuerdruck empfängt und den Flüssigkeitsdruck (P + C₁) am Flüssigkeitszulauf (IS, 115) um einen Festwert (C₁) über dem Ausgangsdruck (P) hält, und daß mit dem Flüssigkeitsablauf (19, 119) ein Druckregler (62) verbunden ist, der den Ausgangsdruck (P) des Druckmeßraums als Steuerdruck empfängt und den Flüssigkeitsdruck (P-C₂) am Flüssigkeitsablauf um einen Festwert (C₂) unter dem Ausgangsdruck (P) hält.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmeßsonde mit einem Druckmeßraum, der durch eine von dem zu messenden Druck zu beaufschlagende elastische Membran verschlossen ist, einem mit dem Druckmeßraum verbundenen Flüssigkeitszulauf, in welchem eine Drosselstelle angeordnet ist, einem Flüssigkeitsablauf, der mit dem Druckmeßraum über eine Düse verbunden ist, die mit einer von der Membran betätigten Prallfläche zusammenwirkt, und mit einer an den Druckmeßraum angeschlossenen Druckmeßvorrichtung.

   Bei Druckmeßsonden dieser Art, die beispielsweise aus der DE-OS 1648433 bekannt sind, erfolgt die Druckmessung dadurch, daß die Prallfläche gegenüber der Düse eine Stellung einzunehmen sucht, bei welcher der im Druckmeßraum herrschende Flüssigkeitsdruck mit dem auf die Außenseite der Membran einwirkenden Druck im Gleichgewicht ist. Wenn sich der auf die Membran einwirkende Druck ändert, wird das Druckgleichgewicht gestört; die Membran wird bewegt und verstellt die Prallfläche, so daß diese eine etwas geänderte Lage relativ zur Düse einnimmt, bei der sich im Druckmeßraum ein neuer Druck einstellt, der dem zu messenden äußeren Druck wieder das Gleichgewicht hält. Durch Messung des im Druckmeßraum herrschenden Flüssigkeitsdrucks kann somit der auf die Membran einwirkende äußere Druck gemessen werden. Wenn nur die beiden Drücke auf die Membran einwirken und die den Drücken ausgesetzten Membranflächen gleich groß sind, ist der im Druckmeßraum herrschende gemessene Druck gleich dem zu messenden äußeren Druck; wenn auf die Membran zusätzlich eine Feder einwirkt, wie dies in der zuvor genannten DE-OS 1648433 angegeben ist, ist der im Druckmeßraum herrschende gemessene Druck um einen durch die Federkraft bestimmten konstanten Betrag größer oder kleiner als der zu messende äußere Druck.

   Da bei diesen bekannten Druckmeßsonden eine wenn auch kleine Veränderung der Lage der Prallflä^r> ehe zur Herstellung des Abgleichs bei Druckänderungen notwendig ist, ergeben sich Meßfehler, die nicht mehr akzeptiert werden können, wenn große Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt werden. Diese Meßfehler beruhen darauf, daß sich gewisse Parameter, die als konstant angesehen werden, in Wirklichkeit in Abhängigkeit von den Lageänderungen verändern. Hierzu gehören die durch die Elastizität der Membran erzeugte Federkraft, die Änderung der wirksamen Fläche der Membran und die Änderung der Reaktionskraft der Flüssigkeitsströmung auf die Prallfläche. Wenn auf die Membran zusätzlich eine Feder einwirkt, ändert sich auch die Federkraft in Abhängigkeit von Verstellungen der Membran.

   Bei der in der DE-OS 1648433 beschriebenen Druckmeßsonde ist es zusätzlich vorgesehen, die im Flüssigkeitszulauf angeordnete Drosselstelle als mengengeregelte Drossel auszubilden. Durch eine Mengenregelung ist es aber nicht möglich, die durch die Lageänderung verursachten Meßfehler zu beseitigen.

   Aus dem Buch von Dr.-Ing. Ludwig Merz »Grundkursder Meßtechnik«, Teil II, 2. Auflage, Oldenbourg-Verlag 1970, Seiten 114-117 ist es bekannt, Druckmeßsonden am Einlaß und an der Düse eines Venturirohres anzuordnen, um den Differenzdruck zu ermitteln.

   Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Druckmeßsonde der eingangs angegebenen Art, bei der die durch die Veränderung der Stellung der Prallfläche verursachten Fehler vollständig beseitigt sind und daher die Meßgenauigkeit beträchtlich vergrößert ist.

   Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit dem Flüssigkeitszulauf vor der Drosselstelle ein Druckregler verbunden ist, der den Ausgangsdruck des Druckmeßraums als Steuerdruck empfängt und den Flüssigkeitsdruck am Flüssigkeitszulauf um einen Festwert über dem Ausgangsdruck hält, und daß mit dem Flüssigkeitsablauf ein Druckregler verbunden ist, der den Ausgangsdruck des Druckmeßraums als Steuerdruck empfängt und den Flüssigkeitsdruck am Flüssigkeitsablauf um einen Festwert unter dem Ausgangsdruck hält.

   Bei der Druckmeßsonde nach der Erfindung wird, unabhängig von dem zu messenden Druck, stets eine konstante Druckdifferenz zwischen dem vor der Drosselstelle liegenden Flüssigkeitszulauf und dem hinter der Düse liegnden Flüssigkeitsablauf aufrechterhalten. Demzufolge ist auch die Strömung durch die Drosselstelle und die Düse konstant. Eine konstante Strömung durch die Düse bedeutet jedoch eine gleichbleibende Stellung der Prallfläche relativ zur Düse. Es tritt somit keine bleibende Regelabweichung auf, so daß die dadurch verursachten Fehler vollkommen ausgeschaltet sind. Der Druck im Druckmeß-

   raum folgt somit den Änderungen des zu messenden Drucks mit außerordentlicher Genauigkeit.

   Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

   Fig. 1 eine schematische Darstellung von zwei Druckmeßsonden nach der Erfindung, die am Einlaß bzw. an der Düse eines Venturirohres angebracht sind, F i g. 2 eine Schnittansicht einer Halterung einer der beiden Druckmeßsonden und