DE2429123B2 - Differenzdruck-Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Differenzdruck-Meßgerät mit den Gattungsmerkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten derartigen Meßgerät (US-PS 20 108) sind in einem abgeschlossenen Gehäuse zwei Druckkammern ausgebildet, die jeweils von Druckmedien beaufschlagt sind, deren Differenzdruck gemessen werden soll. In einer Grundplatte des Gehäuses ist ein mit Flüssigkeit gefüllter Meßraum zwischen den beiden Druckräumen ausgebildet, der gegenüber diesen durch zwei miteinander über einen Querbolzen starr verbundene Scheiben und Membranen abgedichtet ist. Zum Ausgleich von durch Temperatur- und/oder Druckänderungen hervorgerufene Volumenänderungen der im Meßraum eingeschlossenen Flüssigkeit und zur Vermeidung von darauf zurückzuführenden Meßfehlern ist an der dem jeweiligen Druckraum zugewandten Stirnseite jeder Druckscheibe ein Kompensationsraum vorgesehen. Diese Kompensationsräume befinden sich zwischen der äußeren Stirnfläche jeder Druckscheibe und einer zusätzlichen äußeren Membran und stehen über je einen axialen Ringspalt init dem eigentlichen Meßraum in Strömungsverbindung. Der Meßraum wiederum wird durch zwei ringförmige Membranen und die beiden Druckscheiben seitlich begrenzt, wobei Ringkanäle zwischen diesen beiden abgedichteten Meßraumteilen und dem inneren Meßraumteil vorgesehen sind. Nachteilig bei diesem bekannten Meßgerät ist seine außerordentlich aufwendige Herstellung und seine ungenügende Betriebssicherheit. Die beiden äußeren ringförmigen Membranen müssen jeweils zweimal druckdicht befestigt werden, nämlich einerseits mit ihrem abgebogenen Umfangsrand an der Grundplatte und mit ihrem radial inneren Umfangsrand an der Umfangskante der Druckscheiben. Ferner ist noch eine ä gesonderte gasdichte Befestigung der die Kompensationskammern begrenzenden Membranen notwendig, was nur durch außerordentlich sorgfältiges und damit langwieriges Arbeiten vorgenommen werden kann. Da sich die mechanischen Beanspruchungen in den schmalen Befestigungszonen der Membranen konzentrieren, besteht bei diesem bekannten Gerät die Gefahr, daß gerade im Bereich der radial inneren Verbindungsnahi der äußeren Membranringe die Verbindung brechen kann. Aufgrund der Tatsache, daß alle Teile des Meßraumes in gegenseitiger Strömungsverbindung stehen, führt ein Riß oder Bruch der Verbindungsnaht zwangsläufig zum Übertritt der Meßraumflüssigkeit in die Druckräume — oder umgekehrt — und damit zur Unbrauchbarkeit des Meßgerätes.

Bei einem anderen bekannten Meßgerät von ähnlichem konstruktiven Aufbau (US-PS 35 63 138) sind die beiden über einem Stößel starr miteinander verbundenen Druckscheiben in je einer zentralen öffnung je einer einteiligen Membran druckdicht befestigt Der radiale Außenrand der zu ringförmigen Wellen profilierten Membranen ist in einer entsprechenden Ausnehmung in der Grundplatte druckdicht angeεchweißt Ebenso wie bei dem vorstehend gewürdigten Meßgerät ist der die beiden Druckscheiben miteinander starr verbindende Bolzen über eine mechanische Übertragungseinrichtung mit einem Signalwandler gekoppelt, der die Druckunterschiede umsetzt und anzeigt Bei diesem bekannten Meßgerät treten Meßfehler ein, die auf Temperatur- und Druckänderungen des Arbeitsmittels zurückzuführen sind. Das Flüssigkeitsvolumen im Meßraum wird durch diese Faktoren beeinflußt was unter Berücksichtigung des nicht genau gleichen Ansprechverhaltens der Membranen unerwünschte Membranbewegungen zur Folge hat die in das Ausgangssignal integriert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht herstellbares Meßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Betriebszuverlässigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen dei Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Meßgerät weist folgende

so Vorteile auf: Da jede Membran zusammen mit der steifen Druckscheibe in einem ringförmigen Abschnitt befestigt ist und der Mittelteil der jeweiligen Membranen deshalb innerhalb dieser ringförmigen Befestigungszonen mit der jeweiligen Druckscheibe je eine Kompensationskammer bildet, ergibt sich ein Volumenausgleich der im Meßraum eingeschlossenen Flüssigkeit und damit eine hohe Meßgenauigkeit. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei der Messung von geringen Differenzdrücken zum Ausdruck, wo relativ großflächige und damit hochelastische Membranen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßgerätes ist darauf zurückzuführen, daß die vom Zentralteil einer jeden Membran gebildeten Kompensationsräume ohne Verletzung oder Beschädigung der Membran ausgeführt werden können, wodurch sich die Korrosionsbeständigkeit des Meßgerätes gegenüber einer bekannten Ausführung mit mehreren Membranen erhöht. Einen weiteren Vorteil der Erfindung bildet der

einfache Schutz der Membran und ihres Mittelteils vor einer einseitigen Drucküberlastung. Durch Vorsehen von zwei Kompensationskammern findet bei einer einseitigen Drucküberlastung der einen Membran keine Überbeanspruchung der anderen Membran statt, weil 5 die dabei aus dem Mittelteil und dem Umfangsteil der aberlasteten Membran verdrängten Flüssigkeitsvolumina von den entsprechenden Abschnitten der anderen Membran aufgenommen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig.l eine Ausführung des Differenzdruck-Meßgerätes im Längsschnitt,

F i g. 2 eine andere Ausführung der Membraneinheit im Längsschnitt,

Fig.3, Fig.4 den Ausschnitt A in Fig.2 mit zwei weiteren Abwandlungen der Membranbefestigung an den Druckse'eiben.

Das in Fig. 1 dargestellte Differenzdruck-Meßgerät weist eine scheibenförmige. Grundplatte 1 und zwei Membranen 2,3 auf, die an ihrer Umfangslinie an den entgegengesetzten Stirnseiten der Grundplatte 1 befestigt sind. An je einer Ringfläche 4, 5 der Membranen 2,3 ist jeweils eine steife Scheibe 6,7 durch eine Schweißnaht oder auf andere Weise ohne Verletzung oder Beschädigung der Membranen befestigt, wodurch die Korrosionsbeständigkeit de s Meßgerätes erhöht wird. Die radial äußeren Ringteile der beiden Membranen 2, 3 zwischen den Ringflächen 4, 5 und ihren radialen Außenkanten sind in einem vorbestimmten Abstand von den beiden Stirnflächen 8, 9 der Grundplatte angeordnet Die von den Ringflächen 4, 5 umschlossenen mittleren Membranteile 10, 11 erstrecken sich in einem vorbestimmten Abstand von den Oberflächen 12,13 der beiden steifen Scheiben 6,7. Die den Membranen 2,3 zugewandten Oberflächen 8,9 der Grundplatte 1 und die Stirnflächen 12,13 der beiden steifen Scheiben 6, 7 sind an die Wellenform der Membranen angepaßt, um Beschädigungen der Membranen 2, 3 bei einem einseitigen Überdruck zu vermeiden.

Ein Bolzen 14 durchragt eine in der Grundplatte 1 vorgesehene Bohrung 15 und verbindet die beiden Scheiben 6, 7 starr miteinander. Die zueinander weisenden Rückflächen 16,17 der beiden Scheiben 6, 7 dienen als Begrenzungsanschläge gegenüber den entsprechenden Stützflächen 18, 19 der Grundplatte 1, um die Bewegungen der Membranen 2, 3 bei einseitigem Überdruck zu begrenzen. Die von den mittleren Membranteilen 10, 11 und den Scheiben 6, 7 begrenzten Kompensationsräume 20, 21 sind über Kanäle 22, 23 mit dem eigentlichen Meßraum 24 verbunden. Beide Kompensationsräume 20, 21 ebenso wie der Meßraum 24 werden über einen Kanal 25 mit einer Flüssigkeit gefüllt, wobei der Kanal 25 durch eine Kugel 26 und eine Schraube 27 abgedichtet ist

Eine Übertragungsvorrichtung für die Membranbewegungen umfaßt einen Hebel 28, der an einer kleinen Membran 29 an einem Ansatz 30 der Grundplatte abgedichtet aufgehängt ist. Das freie Hebelende durchragt eine Bohrung 31 in der Grundplatte 1 mit einem bestimmten Spiel und ist über einen Ansatz 32 mit den beiden steifen Scheiben 6, 7 gekoppelt, der in eine Querbohrung 33 im Verbindungsstutzen 14 hineinragt und am verjüngten Ende des Hebels 28 abgestützt ist. Das obere, durch die Membran 29 hinausragende Ende des Hebels 28 wirkt mit einem Signalwandler 34 zusammen, der an der Grundplatte 1 befestigt ist und die Membranbewegungen in ein Ausgtngssignal umsetzt Der elektrische oder pneumatische Wandler ist bei der dargestellten Ausführung als elektrischer Umformer mit Kraftausgleich ausgebildet und wird durch ein Gehäuse 35 geschützt

An der Grundplatte 1 seitlich montierte Deckel 36,37 begrenzen Druckräume 38,39, die über Bohrungen 40, 41 mit den zu messenden Druckmedien beaufschlagt werden. Dichtungsringe 42, 43 aus Kunststoff dichten die Druckräume 38, 39 an der Außenlinie der Membranen 2,3 ab. Die Deckel 36, 37 und die beiden Membranen 2,3 können aus verschiedenen korrosionsbeständigen Materialien, wie Chastell, Titan, Nickel. Tantal u. dgl, bestehen.

Bei den Ausführungen nach den Fi g. 1, 2 und 3 sind an den Stirnflächen der beiden steifen Scheiben 6, 7 Ringansätze 44, 45 ausgebildet, an denen die Ringflächen 4,5 der beiden Membranen befestigt sind.

Bei der Ausführung nach F i g. 2 sind die Stirnflächen 12', 13' der beiden Scheiben 6, 7 sowie die Stirnflächen 8', 9' der Grundplatte 1 eben ausgeführt Zum Schutz der Membranen 2,3 gegen Beschädigung bei Überlast dienen als Sperrventile wirkende Gummiringe, die an der konischen Verbindungsstelle des Stutzens 14 mit den Scheiben angeordnet sind und bei einem einseitigen Überdruck sich an die entsprechend konisch ausgebildeten Gegenflächen an der Grundplatte abdichtend anlegen.

Das Verhältnis zwischen den Durchmessern der Ringflächen 4,5 und den Durchmessern der Umfangslinie der Membranen 2, 3 beträgt 0,4 bis 0,9 in Abhängigkeit von der erforderlichen Größe der effektiven Membranfläche und dem Flüssigkeitsvolumen im Meßraum 24. Mit der Vergrößerung des Verhältnisses zwischen diesen Durchmessern nimmt die relative Elastizität des mittleren Membranteiles 10, 11 zu, und die zusätzlichen Meßfehler durch die Änderungen der Temperatur und/oder des statischen Druckes vermindern sich.

Bei der Ausführung nach F i g. 3 sind eine Ringfläche 4' der Membran 2 und die Stirnfläche des Ringansatzes 44 eben ausgebildet

Nach F i g. 4 ist die steife Scheibe 6' als runde Platte ausgeführt und der mittlere Membranteil 10' ragt über den übrigen Teil der Membran 2 hinaus.

Die Wahl der Ausführung von ringförmigen Abschnitten 4,5 der Membranen 2,3 und die Formgebung der steifen Scheiben 6,7 wird durch die Technologie der Herstellung des Gerätes, insbesondere durch das Verfahren zur Befestigung der Scheiben 6, 7 mit Membranen 2, 3 (verschiedene Schweißungsarten, Zusammenleimen, Löten) bestimmt. Die in Fig.3 dargestellte Ausführung ist z. B. bei der Befestigung der Membranen 2, 3 mit Scheiben 6, 7 durch Rollennahtschweißen vorzuziehen.

Die beschriebenen Differenzdruck-Meßgeräte haben folgende Wirkungsweise: Der größere der beiden zu messenden Drücke wird der Membran 2 (F i g. 1) durch die im Deckel 36 vorgesehene Bohrung 40 und der kleinere der Membran 3 durch die im Deckel 37 vorgesehene Bohrung 41 zugeführt. Die beiden Drücke werden durch die Membranen 2 und 3 in proportionale Kräfte umgewandelt, welche gegensinnig zueinander gerichtet sind und entlang der gemeinsamen Achse der Membranen 2, 3 und den steifen Scheiben 6 und 7 wirken. Die resultierende Kraft wird über den Anschlag 32 auf den Hebel 28 übertragen, der um einen

bestimmten Winkel in bezug auf die Achse der Membran 29 schwenkt Dabei wirkt das außerhalb der Grundplatte 1 angeordnete Ende des Hebels 28 mit dem Wandler 34 zusammen, welcher die Bewegung der Membranen 2. 3 in elektrische Ausgangssignale umwandelt, die den Druckunterschieden proportional sind.

Die mittleren Membranteile 10 und 11 dienen zum Ausgleich von Volumenänderungen der Flüssigkeit, welche den Meßraum 24 füllt Diese temperatur- und/oder druckabhängigen Änderungen des Flüssigkeitsvolumens wirken auf beide Seiten der Membranen 2 und 3 und werden zum größten Teil von den elastischen mittleren Membranteilen 10, 11 aufgenommen, weil diese eine höhere Elastizität als die radial äußeren Ringteile der Membranen 2,3 haben. Durch das Vorsehen von zwei elastischen Kompensationsräumen 20, 21 wird eine wesentliche Verminderung von Meßfehlern erreicht, die durch die Änderung der Temperatur und des statischen Druckes hervorgerufen werden, weil die Zunahme des Flüssigkeitsvolumens praktisch keine Verschiebung der Membranen 2, 3 aus der Ausgangsstellung hervorruft

Das Differenzdruck-Meßgerät kann zur Erfassung und Kontrolle von geringen Druckunterschieden verwendet werden, wenn die Membranen 2, 3 eine relativ große effektive Fläche aufweisen, welche durch die Durchmesser ihrer Außenlinie und die Durchmesser der steifen Scheiben 6, 7 bestimmt wird. Dabei vergrößert sich mit der Zunahme der Durchmesser der steifen Scheiben 6, 7 die effektive Fläche und die Elastizität der Membranteile 10, 11, was zu einer Verminderung der zusätzlichen Fehler bei der Änderung der Temperatur und des statischen Druckes führt Bei einer einseitigen Einwirkung des Überlastdruckes auf die Membran 2 (Fig. 1) werden der periphere und der Zentralabschnitt dieser Membran an die Profilflächen 8 und 12 angedrückt, deren Form mit der Form der Membranwellen übereinstimmt; dadurch wird die Membran 2 vor der Zerstörung geschützt.

Der mittlere Membranteil 10 zusammen mit der steifen Scheibe 6 werden so weit bewegt, bis die Stützfläche 16 der Scheibe 6 die Stützfläche 18 der

■> Grundplatte 1 berührt. Dabei gehen die Membran 3 zusammen mit der steifen Scheibe 7 von der Oberfläche 9 der Grundplatte 1 und auch der Zentralabschnitt 11 von der Oberfläche 13 der steifen Scheibe 7 ab, so daG sich das Volumen der Kammer 21 vergrößert, in welche

ίο die Flüssigkeit aus der Kammer 20 durch die Kanäle 22 und 23 verdrängt wird. Bei einer einseitigen Wirkung des Überlastungsdruckes auf die Membran 3 wird der Schutz der Membran vor der Zerstörung auf eine ähnliche Weise verwirklicht.

rs Das Gerät mit der Membraneinheit nach Fig.2 hat zur Messung von Druckunterschieden mit dem ober beschriebenen Gerät eine ähnliche Arbeitsweise. Bei einer einseitigen Einwirkung des Überlastungsdruckes auf die Membran 2 wirkt dieses Gerät wie folgt:

Unter der Einwirkung des Überlastungsdruckes wird der mittlere Membranteil 10 zusammen mit der steifer Scheibe 6 so lange bewegt, bis die Stützfläche 16 der Scheibe 6 die Stützfläche 18 der Grundplatte 1 berührt Dabei schließt das Ventil 46 die in der Grundplatte 1 vorgesehene Bohrung 15 hermetisch und verhinden eine Verdrängung der Flüssigkeit aus dem innerhalb de; peripheren und de« Zentralabschnittes der Membran 1 liegenden Raum. Die zwischen der Membran 2 mil Scheibe 6, dem Ventil 46 und der Grundplatte eingeschlossene Flüssigkeit verhindert ein Durchbieger des peripheren und des Zentralabschnittes der Mem bran 2, wodurch die Membran 2 vor der Zerstörung geschützt wird.

Bei einer einseitigen Einwirkung des Überlastdrucke!

auf die Membran 3 wird der Schutz dieser Membran voi der Zerstörung auf eine ähnliche Weise verwirklicht Dabei wird die in der Grundplatte 1 vorgesehen« Bohrung 15 hermetisch durch das Ventil 47 geschlossen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Differenzdruck-Meßgerät mit zwei jeweils einseitig von unterschiedlichen Meßdrücken beaufschlagbaren Membranen, die einerseits mit ihrem Außenrand an den entgegengesetzten Stirnseiten einer Grundplatte und andererseits weiter innen an starr miteinander verbundenen formsteifen Scheiben befestigt sind und mit der Grundplatte einen mit Flüssigkeit gefüllten, bezüglich der Scheiben radial außen liegenden Meßraum begrenzen, mit je einer von einer Membran und einer Scheibenstirnfläche begrenzten, radial innen liegenden Kompensationskammer an jeder Scheibenaußenseite, die mit dem Meßraum in Strömungsverbindung stehen, und mit einer Übertragungsvorrichtung für die Membranbewegungen zu einem Signalwandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (2,3) je einstückig sowie undurchbrochen ausgebildet und nur längs einer Ringfläche (4,4', 5) an den Stirnseiten der Scheiben (6,7) befestigt sind.

2. Differenzdruck-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Ansätze (44,45) an den Scheiben (6,7) ausgebildet sind.

3. Differenzdruck-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innerhalb der Ringfläche (4') der Membran (2) liegende Abschnitt über den radial äußeren Teil der Membran (2) hinausragt

4. Differenzdruck-Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Scheibe (6, 7) ein Ventil (46, 47) zur hermetischen Abdeckung der in der Grundplatte (1) vorgesehenen Strömungsverbindung (15) aufweist