DE2358649A1 - Durch stoerende umgebungstemperaturaenderungen beeinflusste messeinrichtung - Google Patents

Durch stoerende umgebungstemperaturaenderungen beeinflusste messeinrichtung

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Description

DlPL-ING. H.FINK 23. November 1973
ι PATENTANWALT - . F blbg
73ESSLINGEMCNrCKAR)
HINDENBURGSTRAr-St 44
Haenni & Cie Aktiengesellschaft Jegenstorf (Schweiz)
Durch störende Umgebungstemperaturänderungen beeinflusste Messeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine durch störende Umgebungstemperaturänderungen beeinflusste Messeinrichtung mit einem begrenzten Volumen, das mit einem diesen Temperaturänderungen ausgesetzten Medium gefüllt ist. .
Bei einer Vielzahl von mechanischen Temperatur-Messgeräten erfolgt die Temperaturmessung auf dem Umweg über eine Druckmessung. Der Druck kommt dabei dadurch zustande, dass ein in einem Temperaturfühler eingeschlossenes flüssiges, dampf- oder gasförmiges Medium entweder entsprechend seiner Dampfdruckkurve (bei einem Flüssigkeitsdampf-Gemisch) oder aber als Folge seiner Volumenänderung (bei Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen) einen Druck auf das geschlossene System ausübt. Das System besteht dabei aus dem elastischen Messorgan, der Üebertragungsleitung und dem Fühler. Das
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häufigst verwendete Drückmessgerät ist das sogenannte Röhrenfedermanometer. Dieses Gerät ist einfach, bilÄg, genau und zuverlässig und genügt für viele Anwendungen. Es liegt daher nahe, für die Temperaturmessung auf dem Umweg über eine Druckmessung ein solches Gerät zu verwenden. Es zeigt sich aber in der Praxis, dass für diesen Zweck kein gewöhnliches Röhrenfedermanometer Verwendung findet. Vielmehr findet man als Messorgan eine Röhrenfeder in stark abgewandelter Form, womit eine Spezialausführung vorliegt, die sich natürlich entscheidend auf den Preis und damit auf den Marktwert des Gerätes auswirkt.
Mit der vorliegenden Erfindung soll u.a. die Möglichkeit geschaffen werden, durch einen einfachen Zusatz ein gewöhnliches und damit billiges Manometer zur Temperaturmessung zu verwenden.
Der Grund dafür, dass nicht einfach ein Röhrenfedermanometer zur Messung des Druckes verwendet werden kann liegt darin, dass das Volumen der Röhrenfeder im Vergleich mit dem Volumen des Fühlers gross ist. Das hat zur Folge, dass die Röhrenfeder selber zu einem Temperaturfühler für die Schwankungen der Umgebungstemperatur wird. Diese Schwankungen verursachen eine erhebliche Messwertverfälschung der Fühlertemperatur. Konventionelle Methoden zur Kompensation der Umgebungstemperatur wie beispielsweise Bimetalle genügen nicht mehr. Als direkte Massnahme wurde daher versucht, das Röhrenfeder-Innenvolumen möglichst klein zu machen. Der häufigste Fall ist derjenige, bei dem die Röhrenfeder völlig flach gewalzt wird, so dass nur noch ein minimalstes Volumen übrigbleibt. Auch ist es bekannt, Füllkörper einzusetzen, um das für das Medium übrigbleibende Volumen zu verringern. Neben dem Nachteil der Spezialausführung ist man gezwungen, mit hohen Drücken zu arbeiten und muss demnach auch Dichtigkeitsprobleme lösen. Zudem bleibt ein endlicher Messfehler, da ja das Volumen auf Null reduziert werden kann.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt folgender Gedanke zugrunde:
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Wenn es gelingt ^ ein Element zu finden, das eine "positive" Volumen au sdehnung der Flüssigkeit in der Röhrenfeder dadurch wirkungslos macht, dass ein: ebenso grosses "negatives" Volumen erzeugt wird, in das die Flüssigkeit ausweichen kann, wird man vom Volumen der Röhrenfeder unabhängig und kann daher auch ein gewöhnli- , ches Röhrerifeder-Manömeter verwenden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kompensationsglied aufweist, das unter dem Einfluss solcher störender Temperaturänderungen die Grosse eines auch das Medium enthaltenden Raumes verändert, wobei die Abmessungen und die Wärmeausdehnungszahl des Kompensationsgliedes unter Berücksichtigung der Wärmeäusdehnungszahl des im vorgenannten Räume enthaltenen Mediums so gewählt sind, dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Einrichtung kompensiert ist.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen seihf, dass das Kompensationsglied eine den Raum ganz oder teilweise begrenzende Hülle aufweist j ferner kann vorgesehen sein, dass in der Hülle ein von dem darin enthaltenen Medium umgebener Füllkörper angeordnet ist, wobei dieser bezüglich Wärmeausdehnungszahl und Grosse so mit der Hülle und dem ihn umgebenden Medium abgestimmt ist, dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Einrichtung kompensiert ist.
Es sind hernach Ausführungsbeispiele beschrieben, die je ein gesondertes Kompensationsglied aufweisen, das durch ein Kapillarrohr an ein zur Einrichtung gehörendes Röhrenfeder-Druckmessorgan angeschlossen sind. Für viele praktische Anwendungen, bei denen auch das Volumen eines langen Kapillarrohres zu dem den Temperaturänderungen ausgesetzten Volumen zu rechnen ist, 1st ein solches gesondertes Kompensatiönsglied zweckmässig.
Eine besonders einfache und billige Ausführungsform mit Hülle und Füllkörper s bei welcher-.das begrenzte·,; den" Temperatur änderungen
ausgesetzte Volumen angenähert vollständig in einem Röhrenfeder-Druckmessorgan enthalten ist, das Volumen des Kapillarrohres also vernachlässigbar klein ist, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erhalten werden, dass das Röhrenfeder-Druckmessorgan selbst die zum Kompensationsglied gehörende Hülle bildet. In einer solchen Ausführungsform kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass bei aus Stahl mit einer Ausdehnungszahl von ca. 11.10 mm/mm. C gefertigtem Röhrenfeder-Druckmessorgan und aus Quecksilber bestehendem Medium der Füllkörper aus einer Vielzahl von Tabletten aus einer Metallegierung mit einer Ausdehnungszahl von ca. 1.10 mm/mm. 0C besteht, wobei sein Volumen ungefähr 5/6 des Innenvolumens des Röhrenfeder-Druckmessorgans beträgt. Bei solcher Ausgestaltung ergibt sich ein Röhrenfeder-Manometer mit "eingebauter" thermischer Kompensation. Nebst dem Vorteil der Einfachheit und Billigkeit ergibt sich für das Manometer auch der Vorteil, dass störende Temperaturänderungen an der Stelle kompensiert werden, an der sie auftreten. Die Kompensation kann also nicht den Temperaturänderungen bzw. ihren messwertverfälschenden Effekten vorauseilen oder nachhinken.
Es sind zwar schon Röhrenfeder-Manometer vorgeschlagen worden, bei denen die Röhrenfeder nebst dem Druckmedium Füllkörper enthält? diese dienen dort aber nur dazu, die Menge des Mediums und damit die Grosse dessen Störeinflusses zu vermindern. Im Gegensatz dazu wird durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Fehler völlig eliminiert (kompensiert).
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Aufriss einer kompletten Einrichtung, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 einen Längsschnitt einer Ausführungsvariante eines.Temperatur-Kompensationsgliedes,
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Fig. 3 einen Aufriss, teilweise im Schnitt, einer Ausführungs-*· form, die ein Röhrenfeder-Manometer "mit eingebauter thermischer Kompensation" bildet, und
Fig. 4 einen Schnitt einer Einzelheit nach der Linie IV-IV der Fig. 3.
In der Fig. 1 ist mit dem strichpunktierten Rechteck 1 das Gehäuse eines Druckmessgerätes bezeichnet, in dem die störenden Aenderungen der Umgebungstemperatur stattfinden; mit 2 ist ein Aussentemperaturmessfühler, ein Druckfühler oder Feuchtigkeitsmessfühler oder sonst ein Fühler bezeichnet, der ein Medium (Flüssigkeit, Dampf oder Gas) enthält, wobei der abgegebene Druck mit der abgekühlten Messgrösjse in einer bestimmten Beziehung steht. Mit 3 ist ein Kapillarrohr bezeichnet, das. mit dem gleichen Medium gefüllt ist wie z.B. die Rohrfeder 4 eines Rohrfedermanometer-Messwerkes des Druckmessgerätes. Das Innere der Rohrfeder 4 und des Kapillarrohres 3 steht mit dem Innenraum des Fühlers 2 in freier Druckübertragungsverbindung ; es hat ein Volumen V, das den störenden Umgebungstemperaturänderungen ausgesetzt ist. An die Stelle des Fühlers 2 könnte z.B. ein mit Druckflüssigkeit arbeitendes Kolben-Zylinderaggregat treten.. Die Druckübertragungsverbindung kann in bekannter Weise z.B. aus einer flexiblen Membran bestehen. Insbesondere wenn der Fühler 2 ein Temperaturmessfühler ist, kann das Medium in diesem Fühler, im Kapillarrohr 3 und in der Rohrfeder 4 ein- und dasselbe Medium, z.B. Quecksilber oder Alkohol, sein, wobei dann die Membran überflüssig ist* .
Das Messwerk des-das Gehäuse 1 aufweisenden Messgerätes weist in bekannter Weise ein Änschlussteil 5 auf, das den mit den Temperaturänderungen ausgesetztem Medium gefüllten Kanal 5a besitzt, dessen Volumen zum vorerwähnten Volumen V zu zählen ist.
An dieses Volumen V ist nun ein zusammenfassend mit 6 bezeichnetes Temperaturkompensationsglied angeschlossen. Im Beispiel nach
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Fig. 1 weist dieses Glied 6 eine Hülle 7, einen Füllkörper 8, das diesen letzteren im Innenraum 9 der Hülle 7 umgebende Kompensationsmedium und einen Nippel 10 auf. Die Hülle 7 ist druckdicht auf einen Gewindeansatz 5b des Anschlussteiles 5 und einen solchen 10a des zum Anschluss des Kapillarrohres 3 dienenden Nippels 10 aufgeschraubt.
Die Hülle 7 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, weil dessen Wärmeausdehnungszahl sehr gross ist; diese Wärmeausdehnungszahl kann sogar so gross sein, dass in gewissen Fällen auf einen Füllkörper 8 verzichtet werden kann. Jedenfalls haben die Wärmeausdehnungszahlen al der Hülle 7, a3 des Kompensationsmediums und - sofern vorhanden - a2 des Füllkörpers 8, andererseits das Volumen Vk des Raumes 9, der mit dem vorerwähnten Volumen V in freier Druckübertragungsverbindung steht, so gewählt zu sein, dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Einrichtung auskompensiert ist. In Form einer Gleichung lässt sich dies wie folgt ausdrücken:
Vk soll gleich sein.
(al - a2)
Es lässt, sich aus obigen Ausführungen klar entnehmen, dass das Kompensationsglied 6 zur Kompensierung des messresultatverfälschenden Einflusses von langen Kapillarrohren 3 in Einrichtungen der oben beschriebenen Art dienen kann, da ja das Volumen eines solchen Kapillarrohres zum Volumen V zu rechnen ist. Es kann auch ein solches Kompensationsglied nur für die Kapillarleitung oder Abschnitte derselben verwendet werden, so dass das Kompensationsglied 6 anders als in Fig. 1 gezeigt angeschlossen ist, z.B. mittels eines zwischen Abschnitte des Kapillarrohres 3 eingesetzten T-Verbindungsstückes.
Auch das Kompensationsglied als solches kann anders ausgebildet sein, z.B. wie in Fig. 2 gezeigt. Das dort abgebildete Tempera-
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türkompensationsglied 11 weist zwei ineinander geschachtelte Körper 13, 12 auf, deren an ihren offenen Enden vorliegende Ränder durch ein Rohrstück 14 fest miteinander verbunden .sind. Am Boden des. äusseren topfförmigen Körpers 12 ist die eine Stirnwand einer Aneroiddose 15 befestigt (z.B. angelötet), deren andere Stirnwand durch einen Stab 16 fest mit dem Boden des inneren topfförmigen Körpers verbunden ist. Der Innenraum 17 der Aneroiddose 15 steht über das Kapillarrohr 3 mit dem Volumen V des Röhrenfeder-Druckmess'organs. in freier Verbindung und enthält dasselbe Medium, z.B. Quecksilber.
Die topfförmigen Körper 11, 13 bestehen aus einem Material, z.B. einem Kunststoff, mit grosser Wärmeausdehnungszahl, das Rohrstück 14 und der Stab 16 dagegen aus einem Material mit kleiner Wärmeausdehnungszahl. Die Abmessungen und Ausdehnungszahlen dieser Teile und der mittlere Durchmesser der Aneroiddose 15 sind unter Berücksichtigung der Ausdehnüngszahl des im Irmenraum 17 der Aneroiddose 17 enthaltenen Mediums so gewählte dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Gesamteinrichtung kompensiert ist. Wenn eine solche Temperaturänderung z.B. ein Temperaturanstieg ist, so erfahren die topfförmigen Körper 12, 13 eine wesentlich grössere Ausdehnung als das Rohrstück 14 und der Stab 16. Die Differenz dieser Ausdehnungen bewirkt eine Vergrösserung des Innenraumes 17, die gleich gross wie die Differenz der ausdehnungsbedingten Zunahme des Gesamtvolumens des Mediums weniger die Zunahme des Gesamtvolumens V der Röhrendruckfeder 4 und des Kapillarrohres ist.
Selbstverständlich kann ein solches Kompensationsglied nicht nur im Zusammenhang mit einem Temperaturmessgerät (mit Aussentemperaturfühler) eingesetzt werden. Es findet auch überall dort Verwendung wo sich die Ausdehnung einer Flüssigkeit als Folge von Temperaturänderungen störend auf die Funktion eines Gerätes auswirkt, etwa Geräten bei denen ein Druckfühler oder Feuchtigkeitsfühler mit dem Röhrenfeder-Druckmessorgan verbunden ist.
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In den Fig. 3 und 4 ist mit 21 ein Gehäuse, mit 22 ein Sockel, mit 23 ein Anschlussnippel, mit 24 eine primär als Druckmessorgan dienende Röhrenfeder, mit 25 zusammenfassend ein Messwertubertragungs- und Anzeigemechanismus eines Manometers bezeichnet. Der Innenraum 26 der meistens, wenn Berührung mit Quecksilber vorliegt, aus Federstahl oder rostfreiem Stahl mit einer linearen Wärmeausdehnungszahl von ca. 11.10 mm/mm, C bestehenden Röhrenfeder enthält ebenso wie die nicht gezeigten, sehr kurzen Kanäle im Nippel 23 und im Sockel 22 das Druckmedium, das z.B. aus Quecksilber besteht; er enthält ausserdem als Füllkörper eine Reihe von Tabletten 27, die z.B. aus einer Stahllegierung mit: 33% Nikkei bestehen, deren lineare Ausdehnungszahl ungefähr 1.10 mm/mm. C beträgt. Das Gesamtvolumen dieser Tabletten 27 beträgt ungefähr 5/6 des Innenraumes 26 der Röhrenfeder 24.
Die Röhrenfeder 24 wirkt in diesem Manometer nicht nur als Druckmessorgan, sondern auch als Hülle, eines thermischen Kompensationsgliedes , zu dem auch das Medium und der aus der Gesamtheit der Tabletten 27 bestehende und vom Medium umgebene Füllkörper gehören.
Die Abmessungen und die Warmeausdehnungszahlen dieser Teile sind nun so aufeinander abgestimmt, dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Einrichtung kompensiert ist. Bei Verwendung der obgenannten Materialien, bei der insbesondere diejenige der Tabletten (Füllkörper) 27 wichtig ist, läuft diese Abstimmung auf die durch wenige Versuche bestätigbare Berechnung des Anteils des Volumens des Füllkörpers, also des Gesamtvolumens aller Tabletten 27, am Volumen des Röhrenfederinnenraumes 26 hinaus ; dieser Anteil soll, oben angegebene Materialwahl vorausgesetzt, ungefähr 5/6 betragen. Bei Auftreten einer störenden Temperaturzunahme ist die Kompensation dann dadurch erreicht, dass die Ausdehnung des den Restanteil des Innenraumes 26 füllenden Quecksilbers gleich gross ist wie die Zunahme des Totalvolumens dieses Innenraumes.
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GBlGINAL INSPECTED
Im Falle eines anderen Federmaterials oder Mediums sind die Dimensionierungsverhältnisse entsprechend verschieden. So müsste z.B. bei Verwendung von Alkohol als Füllmedium der Füllkörper ca. 35/36 des Innenvolumens der Röhrenfeder ausfüllen.
Die Tabletten könnten möglicherweise durch entsprechend der Röhrenfeder gebogenen Blechen ersetzt sein.
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Claims (8)

"1V" . ■ 235R649 PATENTANSPRÜCHE
1. Durch störende Umgebungstemperaturänderungen beeinflusste Messeinrichtung mit einem begrenzten Volumen, das mit einem diesen Teraperaturänderungen ausgesetzten Medium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Kompensationsglied (6, 11) aufweist, das unter dem Einfluss solcher störender Temperaturänderungen die Grosse eines auch das Medium enthaltenden Raumes (9, 17) und somit auch des vorgenannten Volumens verändert, wobei die Abmessungen und die Wärmeausdehnungszahl des Kompensationsgliedes unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnungszahl und der Menge des im vorgenannten Räume enthaltenen Mediums so gewählt sind, dass der Einfluss der störenden Temperatüränderungen auf die Einrichtung kompensiert ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsglied (7) eine den Raum (9) ganz oder teilweise begrenzende Hülle (7) aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hülle (7) ein von dem darin enthaltenen Medium umgebener Füllkörper (8) angeordnet ist, wobei dieser bezüglich Wärmeausdehnungszahl und Grosse so mit der Hülle und dem ihn umgebenden Medium abgestimmt ist, dass der Einfluss der störenden Temperaturänderungen auf die Einrichtung kompensiert ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den störenden Temperaturänderungen ausgesetzte Volumen (V) aus dem Innenvolumen"eines Röhrenfeder-Druckmessorgans (4) und gegebenenfalls eines Kapillarrohres (3) besteht, das einen Aussenteinperatur fühler oder einen Druckfühler oder einen Feuchtigkeitsfühler (2) mit dem Röhrenfeder-Druckmessorgan verbindet.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle aus Kunststoff besteht.
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ORIGINAL iMSPEGTED
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koiupensatiönsglied mindestens zwei ineinander geschachtelte, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende, topfförmige Körper (12, 3 3) aufweist, deren an ihren offenen Enden vorliegende Ränder durch ein Rohrstück (14) fest miteinander verbunden sind, und dass der besagte Raum (17) aus dem Innenraum einer Aneroiddose (15) besteht, deren eine Stirnwand am Boden des äusseren topfförmigen Körpers (12) befestigt und deren andere Stirnwand durch einen Stab (16) fest mit dem Boden des inneren topfförmigen Körpers (13) verbunden ist.
7. Einrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, bei welcher, das begrenzte, den Temperaturänderungen ausgesetzte Volumen angenähert vollständig "in einem Röhrenfeder-Druckmessorgan enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrenfeder-Druckmessorgan selbst die 2um Kompensationsglied gehörende Hülle bildet.
8. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei aus Stahl mit einer Ausdehnungszahl von ca, II„ 10 snm/xnm.0C gefertigtem Röhrenfeder-Druckmessorgan und aus Quecksilber bestehendem Medium der Füllkörper aus einer Vielzahl von Tabletten oder von entsprechend der Röhrenfeder gebogenen Blechstreifen aus einer Metallegierung mit einer Aüsdehnungszahl von ca. 1.10 mm/mm. C besteht, wobei sein Volumen ungefähr 5/6 des Innenvolumens des Röhrenfeder-Druckmessorgans beträgt.
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