DE2444936A1 - Differentialdruck-messeinheit - Google Patents

Description

Deutsche ϊϊΐ Industries GmbH L,D.L^on -

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19 Mo/re

16. September 19

DEUTSCHE ITT INDUSTRIE j GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I.BR.

Differontialdruck-Messeinheit

Die Priorität der Anmeldung Nr. 402 035 vom 1.10.1973 in den USA wird beansprucht.

Es ist bekannt und üblich, die zwei Kammern einer als Differentialdruck-Messeinheit bekannten Anordnung mit einer Rohrleitung auf den entgegengesetzten Seiten einer darin angebrachten Öffnung zu verbinden. Hierbei ist die Differentialdruck-MesGeinheit Teil eiaer üblicherweise als Geber bezeichneten Anordnung. Das Ausgangssigna.l des Gebers wird einem Gleich- ' strömeill!amperemeter, einem Prozessregler oder ähnlichem zugeführt. Bei Bedarf kann das.Miiliampüremeter direkt in Druck- oder Differenzdruckeinheittn geeicht werden. Andererseits kann es auch in Volumendurchflusseinheiten, beispielsweise in Liter pro Minute geeicht werden.

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Die bisher gängigste und bekannteste Differentialdruck-Messeinheit ist vom Doppel-Druckdosen-Typ _r vgl. beispielsweise die US-PSen 2 590 324, 2 917 081, 2 975 510 und 3 343 420. Auch Differentialdruck-Messeinheiten mit Metallmembranen sind nicht unbekannt, vgl. die US-PSen 3 492 und 3 62O 135. Metallmembranen sind auch in nichtanalogen Anwendungen bekannt, vgl. die US-PSen 1 921 312, 2 913 und 3 071 953. MetallmemLranen werden wogen ihrer ausgezeichneten Reinigungseigenschaften bevorzugt.

Die» bekannten Differentialdruck-Messeinheiten haben üblicherweise einen temperaturabhängigen Fehler ihres Ausgangssignals. Dieser Feh33r kann durch die thermische Ausdehnung der üblicherweise verwendeten Flüssigkeit hervorgerufen sein, mit der die bekannten DifferentJaldruck-Messeinheiten gefüllt sind. Andererseits kann der Fehler zusätzlich durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von mindestens zwei Teilen der Differentialdruck-Messeinheit verursacht sein oder er kann durch unterschiedliche Elastizitätsmoduln der Membranen verursacht sein.

Ferner haben typische bekannte Differcntialdruck-MePS-einheiten auch einen eingeschränkten Linearitäts- und Dynamikbereich, d.h. das dynamische Verhalten ist unerwünschterweise langsam. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Differentialdruck-Messeinheit anzugeben, bei der diese Fehler soweit wie möglich beseitigt sind. Dies wird durch die im Anspruch 1 eingegebene Erfindung erreicht.

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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nun zusammen mit der Erfindung und deren Vorteilen anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert ,

Fig. 1 zeigt schematisch eine analoge Durchflussmesserguclle..

Fig. 2 zeigt den Grundriss einer Differentialdruck-Messeinheit vom Membrantyp,

Fig. 3 zeigt den.linken Seitenriss der Differenvialdruck-Messeinheit von Fig. 2,

Fig. 4 zeigt den Aufriss einer Abdeckplatte, von der zv/ei bei einer Differentialdruck-Messeinheit der Fig. 2 und 3 verwendet werden,

Fig. 5 zeigt den Grundriss der in Fig. 4 dargestellten Abdeckplatte,

Fig. 6 zeigt den Längsschnitt der /abdeckplatte entlang der Linie 6-6 von Fig. 5,

Fig. 7 zeigt den Vertikalschnitt der Differentialdruck-Messeinheit bezüglich der Linie 7-7 von Fig. 2,

Fig. 8 zeigt den Grundriss einer in der Differentialdruck-Mesi. einheit nach den Fig. 2 und 3 verwendeten Dehnungsmessanordnung,

Fig. 9 zeigt den Vertikal schnitt der Dehnungcmessanordnung von Fig. 8 bezüglich Linie 9-9,

Fig. 10 zeigt· eine perspektivische Ansicht eines Jn den Fig.-8 und 9 dargestellten metallischen Stan-teile.-;,

Fig. 13 zeigt den Vertikalschnitt der Dif f ercni.ial-

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druck-Messeinheit von Fig. 2 bezüglich Linie 11-11, Fig. 12 zeigt den Seitenriss der Fig. 11, Fig. 13 zeigt den Grundriss einer Membran,

Fig. 14 zeigt stark vergrössert den Radialschnitt der Membran von Fig. 13 entlang der Linie 14-14,

Fig. 15 zeigt den Vertikalschnitt der in Fig. 13 . gezeigten Membran entlang der Linie 15-15,

Fig. 16 zeigt in graphischer Darstellung die Linearitäts-bzw. Nichtlinearitätskennlinie einer Membran nach Fig. 13 im Vergleich mit der einer herkömmlich gerippten Membran,

Fig. 17 zeigt scheir.atisch eine Different\aldruck-Messei:.iheit nach der Erfindung bei Differentialdruck null,

Fig. 18 zeigt schematisch die Differentialdruck-Mcsseinheit nach Fig. 17 in teilweise zusammengebautem Zustand,

Fig. 19 zeigt schematisch die Differentialdruck-Messeinheit nach Fig. 17 bei Vollausschlag und

Fig. 20 zeigt schematisch eine alternative Ausbildung der Differntialdruck-Messeinheit nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Rohrleitung 40 weist die dicht darin befestigte Scheibe 41 mit der Öffnung auf. Die Differentialdruck-Messeinheit 45 ist über die beiderseits der öffnung 42 angeordneten Leitungen 43 und 4 mit dor Rohrleitung verbunden. Das Weiterverwertungsmj.ttel ist über die übertragungsschaltung 46 mit dem Ausgang der Differentialdruck-Messeinheit verbunden.

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Die Differentialdruck-MesseinheiL bildet zusammen mit der übertragungsschaltung 46 eine üblicherweise als Geber bekannte Einheit. Das Weiterverwertungsmittel 47 kann ein in Druckdifferenz oder in Durchflussgeschwindigkeit geeichtes Mill!amperemeter, ein Prozessregler o.a. sein.

Die Fig.2bis 15 veranschaulichen die Differentialdruck-Messeinheit 45.

Die Übertragungsschaltung 46 kann herkömmlicher Art sein. Sie kann aber auch mit der in der US-PS 3 518 386 beschriebenen identisch sein, wobei jedoch die beiden in dinser US-Patentschrift beschriebenen Dehnungsmesser durch die beiden Dehnungsmesser der folgenden Beschreibung ersetzt werden. Einige der Anordnungen der US-PS 3 518 8 sind in den B'ig. 8 und 9 wiedergegeben. Somit können dort/ wo solche Zuordnungen wiedergegeben sind, diese Anordnungen von dem Teil der Anordnungen der US-PS 3 518 886' . weggelassen v/erden, falls die nicht entfallenden Anordnungen mit der Übertragungsschaltung vereinigt sind.

Es dürfte hilfreich sein anzumerken, dass einige der verschiedenen Risse der Fig. 2 bis 15 in dem einen Maßstab und andere in einem anderen davon verschiedenen Maßstab gezeichnet sind. Im Interesse der Klarheit sind einige Risse vergrössert oder stark vergrössert. Bei den Membranen nach den Fig. 11, 13 und 15 sind im Interesse der Klarheit ausserdem einige Hintergrundslinien fortgelassen worden.

Die Differentialdruck-Messeinheit .45 der Fig. 2 weist zwei Abschlussplatten auf¹, von denen die eine das Bezugszeichen 48 trägt. Die andere Abschlussplatte ist aus der Fig. 2 nicht ersichtlich, da sie dieselben Abmessungen wie die Abdeckplatte 48 aufweist und zu ihr fluchtend angeordnet ist. Die andere Abdeckplatte hat in Fig. 3 das Bezugszeichen 49. Die Abdeckplatte 49 wird nicht im einzelnen beschrieben, da sie mit der Abdeckplatte 48 identisch ist.

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Die Abdeckplatte 48 nach Fig. 2 v/eist einen nach oben

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ausladenden Vorsprung 50 auf. Beide Abdeckplatten 48 und werden am Körper 51 der Fig. 3 durch die Schrauben 52, und 54 nach Fig, 2 festgespannt. Die Differentialdruck-Messeinheit nach Fig. 2 weist ein zylinderförmiges Rohr auf, welches mit dem Körper 51 verbunden ist. Das Rohr stellt ein Gehäuse für elektrische Zuleitungen dar, die mit der Differentialdruck-Messeinheit 45 verbunden werden können. Die Fig. 8 und 9 zeigen das Rohr 55 in einem grösseren Maßstab.

Zu Fig. 3 ist zu bemerken, dass der Kopf 56 der Schraube am Ansatz 57 der Abdeckplatte 48 anlieft. Die Schraube hat einen Schaft 58 mit dem Gewinde 59. Auf den Schaft ist die' Mutter 60 geschraubt, die "die Abdeckpiatten 48 und 49 zusammenzieht, so dass der Körner 51 fest verschlossen in einer bestimmten Lage relativ zu den Abdeckplatten 48 und 49 eingeklemmt ist.

Die Abdeckplatte v/eist den Ansatz 61 auf, zwischen dem und der Mutter 60 auf dem Schaft 58 der Federring G2 angeordnet ist. Die Ansätze 57 und 61 der Abdeckplatten haben Löcher, durch die der Schaft 58 hindurchführt.

Sämtliche Schrauben 52, 53 und 54, die mehr oder weniger symmetrisch zueinander angeordnet und von gleicher Bauart sind, sind mit Muttern und Federringen versehen. Sie dienen in gleicher Weise wie die Schraube 53 nach Fig. 3 dazu, die Abdeckplatten 48 und 49 in Druckverbindung mit dem Körper 51 zu halten. ^:

Die ·Abdeckplatten 48 und "^9 nach Fig. 3 haben die Stirnflächen 63, 64. Die Abdeckplatte 48 bildet mit dem Körper eine erste noch zu erläuternde abgeschlossene Kammer. In ähnlicher Weise, jedoch unterschiedlich zu dieser abgeschlossenen Kammer, bildet die Abdeckplatte 49 mit dem Körper 51 eine zweite abgeschlossene Kammer. So hat die Abdeckplatte 48 nach Fig. 4 und 5 den in die erwähnte erste abgeschlossene Kammer führenden Durchlass Die Stirnfläche 63 der Abdeckplatte 48 hat nar:h Fig. 3 und 4 die Einsenkung 66 und ausserdera die Gewindelocher

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67 und 68. Die Anordnung mit dem Durchlass 65, der Einsenkung.66 und den Gewindelöchern 67 und 68 ist hauptsächlich für eine Flussigkeitsankopplung mit beispielsweise irgendeinem herkömmlichen am Ende einer Rohrleitung angebrachten Rohrverbindungsstück vorgesehen, wie es zusammen mit den Leitungen 43 und 44 verwendet werden kann. Bei einer Ausführungsform kann die Stirnfläche der Leitung selbst mit einer Nut versehen werden, die einen Dichtring enthält, um eine dichte Verbindung zwischen der ringförmigem Stirnfläche 65' der Iiinsenkung und dem Durchlass 65 zu erhalten, vgl. Fig. 4. Zur Befestigung deb Rohrverbindungsstückes sind Kopfschrauben vex v/endbar, die in die Gewiiidelöcher 67 und 68 eingeschraubt werden. Die Fig. 4 zeigt eine um 90° aus der Lage der Fig. 3 gedrehte Ansicht clsr Abdeckplatte 48. -

Die Fig. 5 zeigt einen weiteren Grundriss der Abdeckplatte zur Veranschaulicltung der durch ihre Ansätze 72, 57 bzw. gehenden Schraubenlöcher 69, 70 und 71. Nach Fig. 5 ist die /abdeckplatte 48 becherförmig geformt und weist eine becherförmige Kammer oder Vertiefung 74 auf, mit der der Durchlass 65 in Verbindung steht, vgl. Fig. 6.

"Die Fig. 7 veranschaulicht einen Teil einer Dehnungsmessanordnung 75, die mittels vier Sechskantschrauben 76 mit dem Körper 51 verbunden ist, die in entsprechenden Bohrungen des Flansches.77 verschiebbar angeordnet sind und mit Unterlegscheiben 78 versehen sind. Der Flansch ist sowohl in Fig. 8 und 9 dargestellt, jedoch sind die Gewindelöchcr im Körper 51, in die die Schrauben eingedreht werden, und die Löcher im Flansch 77, in denen die Sechskantschrauben 76 verschiebbar gelagert si)id, nicht dargestellt. Der Flansch 77 ist mit einem ringförmigen Ansatz 79 versehen, wie die Fig. 7, 8 und 9 zeigen. Das Rohr 55 <in Fig. 7 ebenfalls gezeigt) ist durch Hartlöten oder anderweitig im ringförmigen Ansatz 79 bei 80 befestigt, wie l'ig. 9 zeigt.

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Vom Inneren des Körpers 51 führen vier elektrische Zuleitungen nach aussen, von denen jedoch lediglich zwei, die Zuleitungen 81 und 82, in Fig. 9 gezeigt sind. Die vier Zuleitungen sind durch die Glasscheibe 83 geführt und dort eingeschmolzen, die wiederum in den Metallring

84 eingeschmolzen ist. Der seinerseits ist in der Bohrung

85 eines Vierkantrohres 86 befestigt, das mit dem Flansch fest verbunden ist.

Der Flansch 77 weist eine Ringnut 87 auf, in der der Dichtring 88 angeordnet ist. Somit ergibt sich eins flüssigkeitsdichte Verbindung um die öffnung 89 durch die Wand des Körpers 51, wenn die Seehskantschrauben 76 den Flansch fest an den Körper 51 pressen. Dies ist erforderlich, du die Differentialdruck-Messeinheit 45, wie auch manche herkömmlichen Differentialdruck-Messeinheiten, mit einer Flüssigkeit gefüllt wird. Im vorliegenden Fall füllt die Flüssigkeit den gesamten Innenraum des Körpers 51. aus. Da dadurch und durch umgebende Bauteile mit mindestens zwei Membranen der Innenraum begrenzt ist, sollen diese nun beschrieben werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 9 ist das Block- oder Vier- ^:kantr,egment 90 in der gezeigten Lage beweglich angeordnet. In den Block 90 erstreckt sich die Bohrung 91 hinein. Das Vierkantrohr 86 weist ebenfalls eine Bohrung 9 2 auf, welche mit der Bohrung 91 fluchtet. Zur Festlegung befindet sich in beiden Bohrungen 91 und 92 der Stift 93, der mit Press-Sitz im Vierkantrohr 86 oder im Block 90 befestigt sein kann.

Der Blattfederhebelarm 94 und die Klemmplatte 95 weisen Bohrungen auf, die mit dem' Schraubenloch 96 und der Bohrung 92 im Vierkantrohr 86 gi'ob fluchten und, in die in Fig. 8 und 9 gezeigte Lage gebracht, mit der Schraube im Block 90 an der Klemmplatte 95 festgeschraubt werden.

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Der Blattfederhebelarm 94 und andere in Fig. 8 und 9 rechts von der Linie 98 von Fig. 8 gezeigten Teile können herkömmlicher Art sein. So ist es beispielsweise üblich,einen Dehnungsmesser an gleicher Stelle auf entgegengesetzten Seiten des Blattfederhebelarms anzuordnen. Zwei dieser Dehnungsmesser werden verwendet'. In Fig. 8 ist jedoch nur ein Dehnungsmesser 99 gezeigt.

Bekanntlich v/eist jeder Dehnungsmesser zwei Anschlüsse auf. Comit wird ein Anschluss jedes Dehnungsmessers mit einer entsprechenden Zuleitung verbunden. Die 'anderen Anschlüsse der Dehnungsmesser werden dann mit den entsprechenden Zuleitungen 81 und 82 verbinden. Der Anschluss 100 liegt am einen Ende des Dehnungsmessers 99 von Fig. 8, während der andero Anschluss 101 mit dem anderen Ende verbunden ist. Der Übersichtlichkeit halber ist die Verbindung der Anschlüsse 100, 101 und die der zwei Anschlüsse des anderen Dehnungsmessers mit den Zuleitungen 81, 82 weggelassen. Das in Fig. 8 gezeigte Metallstanzstück 102 weist die Nase 103 auf, die durch Hartlöten oder anderweitig über ihre gesamte Fläche mit dem Endteil 104 des Blattfederhebelarms 94 verbunden ist, vgl. auch Fig. 9 und

'Der Blattfederhebelarm 94 der Fig. 9 hat die Abschnitte 105, 106. Der Abschnitt 1C6 ist der festgehaltene Endteil, während der Endteil 104 frei beweglich ist. Der Abschnitt 105 verläuft nach Fig. 8 konisch, wird als Abschnitt konstanter mechanischer Spannung bezeichnet und ist ebenso wie der Abschnitt 106 in herkömmlicher Weise ausgebildet. Dagegen ist der Endteil 104 in nicht üblicher Weise gestaltet. Die Abschnitte 104 und 105 gehen ebenso wie die Abschnitte 105 und 106 ineinander über. D sr Grundriss des Abschnitts 106 ist identisch mit dem Grundriss der Klemmplatte 95, ähnlich wie in Fig. 8 gezeigt.

Wie die Fig. 10 veranschaulicht, wird das Metallstanzstück 102 durch Ausstanzen der etwa ü-förmigen Öffnung 107 unter Aussparung der Nase 103 hergestellt, die in eine Ebene etwa senkrecht zur Ebene des übrigen Metal]scanzstückes 102 gedrückt wird.

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Die Fig. 11 zeigt eine vergrösserte Schnittansicht der Differentialdruck-Messeinheit 45 entlang der Schnittlinie 11-11 von Fig. 2. Derin Fig. 11 dargestellte Körper 51 enthält den Block 108 mit an seinen ringförmig ausgebildeten Stirnfläche» 317, 118 fest angebrachten Platten 109, 110, wobei der Block 108 eine zylinderförmig ausgebildete äussere Oberfläche 111 aufweist, die gelegentlich durch andere Teile unterbrochen werden kann. Die Platten 109 und 110 sind im allgemeinen zylindrisch ausgebildet, besitzen jedoch Stirnflansche 112, 113.

Die; Platte 109, die einen den Stirnflansch 112 übergreifenden Flansch 115 besitzt, wird-dicht gegen den Block 108 mittels des Ringes 114 gepresst. Vorzugsweise werden vier Schrauben durch den Ring 114 gesteckt und im Block 108 verschraubt, so dass die Platte 109 dicht am Block 108 befestigt ist. Das .Gewindeloch 68 (Fig.5) fehlt in Fig. 1.1.

In Fig. 11 sind wieder die Abdeckplatten 48 und 43 gezeigt. Der Ring 114 weist die kreisförmige Ringnut 119 auf, in der der Dichtring 121 angeordnet ist, der eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen der Abdeckplatte 48 und der 'Platte 109 gewährleistet.

Alle in Fig'. 11 oberhalb der Stirnfläche 117 gezeigten Teile des Blockes können insgesamt mit allen unterhalb der Stirnfläche 118 des Blockes gezeigten Teilenidentisch sein. Aus diesem Grunde werden im folgenden lediglich die Teile unterhalb der Stirnfläche 118 des Blockes im einzelnen beschrieben. ·-...--.

Die Fig. 11 zeigt eine insgesamt kreisförmig ausgebildete Metallmembran 123 mit einem Ringteil 124, der durch Nahtschweissung mit der Platte 1C9 auf deren Ringfläche 125 befestigt ist. Die Nahtschweissung ergibt eine flüssigkeitsdichte Verbindung am gesamten Umfang der Platte 109 und bestimmt ausserdem die Lage des Ringteils 124 der Membran relativ zur Platte 109.

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Die Membran 123 der Fig. 11 v/eist einen kreisförmigen Mittelteil 126 auf, der vollkommen mit der Scheibe 127 verbunden ist. Der Gewindebolzen 128 bildet mit der Scheibe 127 einen einheitlichen Körper oder ist anderweitig daran befestigt und in das am einen Ende des tfittelbolzens 130 befindliche Gewinde 129 eingeschraubt.

In gleicher Weise hat die Platte 110 die daran befestigte iletallmembran 131. Beide Membranen 123, 131 sind am fiittelbolzen 130 befestigt. Der Mittelbolzen 130 ist vorzugsweise in besonderen Bohrungen des Blockes 108 verschiebbar gelagert. Vorzugsweise sind die Abmessungen der Bohrungen so gross, dass überall ein Zwischenraum verbleibt.

Es sei hervorgehoben, dass in Fig. 11, wie bereits erwähnt, zwischen der Abdeckplatte 48 und der Membran 123 ein Abstand und eine dazwischenliegende j dadurch gebildete Kammer vorhanden ist. In gleicher Weise bilden die Abdeckplatten und die Membran 131 die Kammer 133. Die Kammern 132, 133 sind flüssigkeitsdicht. Beispielsweise ist die Kammer sowohl aufgrund der Verwendung des Dichtungsringes 121 als auch aufgrund der Nahtschweissung flüssigkeitsdicht, die eine dichte Verbindung zwischen dem Ringteil 124 der Membran 123 und der Ringfläche der Platte 1O9 gewährleistet. Natürlich sind die Kammern 132, 133 bis auf den Durchlass der in Fig. 6 gezeigten Abdeckplatte 48 und einen mit diesem identischen. Durchlass in der Abdeckplatte 49 flüssigkeitsdicht.

Die Stirnfläche 117 des Blockes 108 weist die kreisförmige ISut 134 auf, in der der Dichtring 135 angeordnet ist, der eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Block und der Platte 109 gewährleistet. In gleicher Weise ist in dtr Stirnfläche 118 die kreisringförmige Nut 135 vorgesehen, in der sich der Dichtring 137 befindet, der eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Block 108 und der Platte 110 gewährleistet.

Um die erforderliche Flüssigkeitsfüllmenge sämtlicher in

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Verbindung stehender Kammern zwischen den Membranen 123, 131 auf einen Minimalwert zu bringen, sind die ringförmigen Füllstücke 138 und 139 vorgesehen. Es ist bekannt, beispielsweise eine Differentialdruck-Messeinheit vom Balgentyp mit einem Silikonöl oder einer anderen Flüssigkeit als teilweisen Schutz gegen Überdruck zu füllen.

Ferner ist die Schraubenfeder 140 vorgesehen, de.ren eines Ende 141 am Block 108 und deren anderes Ende 142 am Steg 143 befestigt ist, der entweder am Mittelbolzen 130 befestigt ist oder mit diesem vereinigt ist.

In manchen Fällen kann die Schraubenfeder 140 wegfallen, wodurch die Differentialdruck-Messeinheit symmetrisch, wird, d.h. dass der Druck in Kammer 132 grosser als der in Kammer 133 oder der '3ruck in Kammer 133 grosser als der in Kammer 132 sein kann. Bei der veranschaulichten Anordnung ist Kammer 133 die Hochdruckkammer/ da die von der Schraubenfeder 140 auf den Steg 143 ausgeübte Kraft entgegen der von der Membran 131 aufgrund eines Druckanstiegs in Kammer 133 ausgeübten Durchbiegung gerichtet ist. ·.

In Fig. 11 ist das Metallstanzstück 102 mittels der Klemmplatte 144, die das Metallstanzstück 102 fest gegen den Steg 143 drückt und U-förmig ist (vgl. Fig. 11 und 12), am Steg 143 in fester Lage bezüglich des Mittelbolzens festgeklemmt, während die Klemmplatte 144 am Metallstanzstück 102 durch die Sechskantschrauben 145, 146 befestigt ist, die in den Steg 143 eingeschraubt sind und somit die Klemmplatte 144 fest gegen das Metallstanzstück 102 drücken. Die Teile 123', 131' der Membranen 123, 131 liegen bei entsprechendem Überdruck an den Platten 109, 110 an. Dabei sitzen die Teile 123', 131' der Membranen auf Kegelstumpfflächen 109* , 110' der Platten 109 bzw. 110 auf.

Der Steg 143 weist nach Fig'. 12 die Abstufung 14 7 und die durchgehtmdeJiAusgleichsbohrungen 148, 149 auf, die das

Durchfliessen der auf gegenüberliegenden Seiten des Steges 14 3 befindlichen Flüssigkeit erleichtern und dadurch

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die Ansprechgeschwindigkeit der Differentialdruck-Messeinheit 45 im Bedarfsfall erhöhen. Alternativ oder auch zusätzlich können die Ausgleichsbohrungen 148, 149 aber auch mit mehr oder weniger starken Einengungen des Durchflusses versehen werden, die eine Bedämpfung des Ausgangs der Differentialdruck-Messeinheit 45 bewirken.

Die Membran 131 kann, wie bereits erwähnt, im Bedarfsfalle mit der Membran 123 identisch sein. Daher wird lediglich die Membran 123 in weiteren Einzelheiten beschrieben.

Die Fig. 13 zeigt den Grundriss der Membran 123, die über ihre gesamte Fläche eine im wesentlichen gleichmassige Dicke aufweisen und vorzugsweise aus einem' runden, dünne_rif ebenen Blech gleichmässiger Dicke von etwa 0,127 mm aus 17--7 oder 17-4 seigerungεhärtbarem, rostfreiem Stahl hergestellt sein kann. Es sind jedoch auch andere Materialien verwendbar - sogar Kunststoff. Jedoch wird im Hinblick auf die Bruchfestigkeit dieser seigerungshärtbare rostfreie Stahl vorgezogen. Andere verwendbare Materialien sind martensitischer 'rostfreier Stahl, der in den USA unter der Bezeichnung "400 stairless steel" bekannte rostfreie Stahl, Kobaltlegierungen wie die unter dem Handelsnamen "Elgilloy" bekannte Kobaltlegierung der Fa. Hamilton Watch Compnany. Auch kann der in den USA.unter der Bezeichnung "316 stainless steel" bekannte rostfreie Stahl verwendet werden. Die Membran 123 kann aus jedem formbaren Material mit einer Verformbarkeit (Duktilität) von mindestens 25 Prozent hergestellt werden.

Im Bedarfsfall können die Membranen 123 und 131 auf dieselbe Weise gefertigt v/erden.

Die Membran 12 3 kann somit in einer Presse zwischen Formteilen entsprechend den in den Fig. 13, 14 und 15 gezeigten Abmessungen und Formen, jedoch nicht unbedingt maßstabsgerecht, hergestellt werden.

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Die Pig. 13 zeigt die Membran 123 mit dem Ringteil 124. Bis auf die Zylinderfläche 150 kann der Ringteil 124 im wesentlichen parallel zueinanderverlaufende Oberflächen in entsprechenden parallel zueinanderverlaufenden Ebenen aufweisen. Die Membran 123 hat die Membranteile 151, 152, die man allgemein als Halbtcrusse definieren kann, die in einer Ebene senkrecht zu ihrer Achse geschnitten sind und die Radien R und r besitzen, wodurch die verschiedene Lage der Torusse der Membranteile 151, 152 definiert ist.

Die Achse des Torus, der die eine Oberfläche des Membranteils 152 begrenzt, ist im allgemeiner» mit der Achse des Torus, der die eine Oberfläche des Membranteil;s begrenzt,' identisch. Diese Achse verläuft senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 13 durch den Mittelpunkt 153. Die Membranteile 151, 152 sind durch Speichen 155 verbunden, mit denen sie ein geprägtes Rad 154 bilden. Jedes Paar, von benachbarten Speichen 155 ist über kreisbogensegmentförmigG Stege 156 miteinander verbunden. Jeder Steg verbindet ausserdem die Membranteile 151 und 152.

Ist die Membran 123 unbelastet, liegt die obere Ober-.flächenseite des Steges 156 im allgemeinen in der gleichen Ebene wie die oberen Oberflächenseiten des Ringteils u/id die des Mittelteils 126. In gleicher Weise liegen die unteren Oberflächenseiten des Steges 156, des Ringteils 124 und des Mittelteils 126 in einer Ebene.

Die Speichen 155 zeigen im allgemeinen die Form eines Baibzylinders. Die in Fig. 15 veranschaulichten können beispielsweise einen Durohmesser F von 3,3 mm aufweisen. Falls erwünscht, kann die in Fig. 13 ersichtliche Abmessung E ebenfalls 3,3 mm betragen. Das Gleiche gilt für die Abmessung D. Falls gewünscht, kann die Abmessung G der Fig. 13 zu 2,9 nun gewählt werden.

Diß Rückansicht der Membran 123 ist im wesentlichen mit der Fig. 13 identisch. Dabei sind jedoch die Halbtorusse Vertiefungen. Dazu wäre zu bemerken, dass die Speichen und die Membranteile 151, 152 auf der einen Oberflächen-

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seite, d.h. auf der in der Fig. 13 gezeigten, HaIbtorusse sind und auf der Rückseite Vertiefungen, weil die Membran 123 eine im wesentlichen gleichmässige Dicke besitzt. In diesem Fall entspricht jede Vertiefung einer entsprechenden Speiche 155, die dann in Verbindung mit Vertiefungen innerhalb entsprechender Membranteile liegt, wie durch Pfeile 157 in Fig. 13 angedeutet ist.

Falls gewünscht, kann der RadiusRzu 63 mm und der Radius r zu 11,25 nun gewählt wurden.

Vorzugsweise ist die Kurvenform des Membranteils 151, wie in Fig. 14 gezeigt, nahezu ein Halbkreis, soweit möglich. Sie kann jedoch eine etwas kompliziertere Bogenlinie sein. Das gleiche gilt für den radial sich erstreckenden Schnitt durch den Membranteil 152 und den Querschnitt senkrecht durch eine Speiche 155.

Wie bereits erwähnt, sind im Interesse der Klarheit die; Hintergrundlinien bei den Membranen 123 und 131 in einigen Teilen der Fig. 11, 13 und 15 weggelassen. Beispielsweise fehlen die Hintergrundlinien in Fig. 15 an den vier Stellen 158.

Funktionsweise

Wird eine Flüssigkeit unter einem Druck in die Kammer geleitet, der grosser als der Flüssigkeitsdruck in Kammer 3,3.2 ist, so worden sich die Membranen 123, 131 von Fig. 11 nach oben biegen, wobei sich der Mittelbolzen 130 in die gleiche Richtung bewegt. Das am Mittelbolzen befestigte Metallstanzstück 102 verbiegt daher den in Fig. 8 gezeigten Blattfederhebelarm entsprechend der in Fig. 9 gewählten Anordnung nach unten. Die aiu Blattfederhebelarm 94 befestigten beiden Dehnungsmesser werden dadurch deförmiex't und die mit ihnen verbundene Übertragungsschaltung 46 kenn somit das Weiterverarbeitungsmittel 47 veranlassen,

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beispielsweise die Durchflussmenge anzuzeigen. Wie bereits erwähnt, kann das Weiterverarbeitungsmittel 47 in diesem Fall ein Milliaraperemeter sein, welches in Volumeneinheiten pro Zeiteinheit geeicht ist. Das Ausgangssignal der übertragungsschaltung 46 von Fig. 1 kann dann ein Gleichstrom sein, der unmittelbar proportional zu den Druckdifferenzen der Flüssigkeiten in den Kammern 133 und 132 ist.

Der Hauptvorteil der Differentialdruck-Messeinheit 45 ist ihre Linearität, die bei 159 in Fig. 16 als Funktion der Durchbiegung dargestellt ist. Die Linearität einer gerippten runden Membran ist bei 160 in Fig. 16 nach Werten veranschaulicht, die vom U.S. National Bureau of Standards veröffentlicht wurden. Hinsichtlich Fig. 16 wird hervorgehoben, dass die Kurve 159 einen in einem Durchbiegungsbereich liegenden Teil 161 aufweist, der eine wesentlich bessere Linearität zeigt als die Kurve 160-Im allgemeinen v/erden jedoch die Membranen 123, 131 gerade in diesem Bereich der Kurve 159 betrieben.

Im vorliegenden Fall ist es üblich, die Kurven 159, als "Linearitäts"-Kurven zu bezeichnen. Tatsächlich ist die dargestellte Funktion eher nichtlinear als linear. Ein mit X markierter Punkt 162 ist den Betriebsdaten entnommen * Zunächst wird eine Druck-Durchbiegungs-Kurve aufgenommen. Die Nichtlinearität, beispielsweise am Punkt 162, wird dann dadurch bestimmt, dass eine gerade Linie vom Koordinaten-Nullpunkt (0,0) zu einem Punkt auf der Druck-Durchbiegungs-Kurve gezogen wird. Es ..'ird der maximale Fehler zwischen Null und-beispielsweise Punkt 162. gemessen. Dann wird die prozentual* Linearität (tatsächlich Nichtlinearität) für Punkt 162 berechnet, indem, der maximale Fehler durch die Ordinate des Punktes 162 dividiert und mit 100 multipliziert ward.

Durch die Anwendung des geprägten Rades 154 ist es möglich, eine gute Linearität über einer trossen Durchbiegung und eine grosso Durchbiegung über einem kleinen Druckbercich zu erzielen.

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-L /

It · C

Unter dem Begriff "Mittel zum Zuführen von Flüssigkeit unter Druck" sollen in der Beschreibung und den Ansprüchen mindestens eines der folgenden Mittel mit oder ohne weitere Teile gemeint sein: eine unter Druck stehende Flüssigkeitsquelle, eine Zuleitung, ein Einlass oder eine ähnliche Zuführungsöffnung.

Das hier und in den Ansprüchen verwendete Wort "Ausgangssignal" soll ein mechanisches/ elektrisches oder anderes Ausgangssignal bedeuten.

Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Bezeichnung "gemeinsamer Körper" soll eine angebolzte, verschraubte, gebondete, verschmolzene oder anderweitig erfolgte Verbindungsart von Teilen ausschiiessen, jedoch einen erschmolzenen oder einzigen einheitlichen Materialkörper umfassen, der solcherart im natürlichen Zustand gefunden, mittels einer chemischen Reaktion erzeugt, erschmolzen oderauf ähnliche Weise gefertigt wurde, ' dass er über die Verbindungsstelle der Teile im wesentlichen isotrop ist.

Die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Bezeichnvmg "Weiterverarbeitungsmittel¹¹ soll, jedoch, nicht ausochliesslich, ein in Durchflussmenge, -geschwindig keit oder in Differenzdruck geeichtes Ampere- oder -Milliamperemeter oder auch einen Prozessregler umfassen.

Die Kurve 160 in Fig. 16 weist die Punkte 164, 165, 166 auf. Die Wer*-e sämtlicher Punkte 161 bis einschliesslich 166 bedeuten fo3.gendes. Die Membranen entsprechend den Kurven 159, 160 in Fig. 16 weisen jede einen Radius R von 22,2 mm auf. Die Durchbiegungen für die Punkte 164, 165 und 166 entsprechen 1/2 %, 1 % und 2 % von 2R. Den Punkten 164, 165 und 166 sind Nichtlinearitäteri von 0,8 %, 0,7 % bzw. 0,4 % zugeordnet. Die Punkte-163, 162. und 163. haben für die gleichen Durchbiegungen (1/2 %, 1 %, 2 % von 2R) Nichtlinearitäten von 0,1 %, O,S % bzw. 2,6 %.

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Nachdem die Membran 123 nach Fig. 13,14 ν.ηά 15 geformt worden ist, wird diese seigerungsgehärtet. Dies kann in herkömmlicher Weise geschehen. Beispielsweise kann die Membran 123 in einer Vakuumkammer auf eine Temperatur von 840° C erhitzt werden und bei dieser Temperatur 90 min verbleiben. Dann wird die Membran 123 auf Raumtemperatur durch Abschalten der Wärmequelle der Vakuumkammer und durch Einleiten von Stickstoff oder einem anderen Gas oder einer eine neutrale.Atmosphäre ergebenden Gasmischung ir. die Vakuumkammer bei etwa 1 at Druck abgekühlt. Vorzugsweise wird die Membran. 123 auf Raumtemperatur innerhalb 1 h unmittelbar an die erwähnten 90 min abgekühlt. Dann wird die Membran während 30 min bei - 18° C gekühlt. Danach wird die Membran 123 in der Vakuumkammer wieder auf 565° C erhitzt und bei dieser Temperatur 90 _min lang gehalten. Die Membran wird anschliessend in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben abgekühlt.

Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung können die Membranen , insbesondere im Hinblick aui Korrosioaisfestigkeit mit einer 0,05 bis 0,075 mm starken Kunststoffschicht beschichtet werden.

Es ist bekannt, im Inneren von Differentialdruck-Messeinheiten gelegentlich zⁱvei öffnungen vorzusehen. Diese Öffnungen werden dazu verwendet, durch eine von ihnen die Luft abzusaugen und durch die andere zum Füllen des Inneren der Differentialdruck-Messeinheit Flüssigkeit einzuleiten. Solche Öffnungen v/erden hier nicht beschrieben, es können

-aber irgendwelche Durchlässe herkömmlicher Art für diesen • Zweck vorgesehen werden.; .::■-.:.- ·....:.

Die Krümmung der in Fig. 13 gezeigten Membranteile 151 und 152 sowie die Krümmung der Speichen 155 wird insbesondere im Hinblick auf die Stabilität der Membran 123 gewählt. Sie wird daher auch übermässig hohen Belastungen widerstehen.

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Teilweise kann das in Fig. 8 gezeigte übertragungssystem durch irgendein herkömmliches Übertragungssystem ersetzt werden. Die Dehnungsmesser nach Fig. 8 können auch am Blattfederhebelarm 94 unter Verwendung von Glas, einem Epoxidharz oder anderweitig befestigt werden. Anstelle des Übertragungssystems nach Fig. 8 können ein Drehmomentgeber (torque tube output) , ein elektromechanischer Geber oder auch andere Bauelemente verwendet werden.

Die Membranen 123, 131 können ferner auch aus dem ir den USA unter der Bezeichnung *316 stainless steel" bekannten restfreien Stahl hergestellt werden.

Unabhängig vom eben Erläuterten ist zu bemerken, dass die Verwendung von zwei Membranen nicht immer erforderlich ist. Die Erfindung kann auch bei Verwendung einer Membran zur Anwendung kommen, vgl. hinsichtlich von Ein-Balgen-Differentialdruck-Messeinheiten die US-PS 2 752 949.

Die grossen Verbindungsflächen und die Biegsamkeit der Nase des Metallstanzstückes 102 und seine Verbindung über die gesamte Fläche des Endteils 104 des Blattfederhebelarms 94 ergibt, wie bereits erwähnt, eine ungewöhnlich gute Genauigkeit.

Unter "Durchbiegungs-Vollausschlag" soll allein ein Ausschlag in eine Richtung, entweder weg von oder gegen eine Lage ohne Belastung verstanden werden.

In Fig. 16 hat die zur Kurve 160 gehörende Membran gleichmässig eine schlechte Linearität, wenn sie in Gegenrichtung durchgebogen wird und eine abrupte Änderung der Steigung in der neutralen Lage, d.h. bei Durchbiegung null. Die zur Kurve gehörende Membran hat dagegen eine gleichmässig gute Linearität, wenn sie in Gegenrichtung (die Hälfte der in Fig. 16 gezeigten Nichtlinearität) durchgebogen wird und keine unerwünschte abrupte Änderung der Steigung in neutraler Lage. In beiden Fällen bedeutet "Steigung" Steigung der Kurven 159 und 160 beiderseits der neutralen Lage bei kleinen positiven und negativen Durchbiegungen beispielsweise bei Durchbiegungen von höchstens ± 0,23 ram.

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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung nach den Fig.17 bis können im Bedarfsfall identisch mit der Differentialdruck-Messeinheit 45 nach den Fig. 2 bis 15 sein/ wobei jedoch die in den Fig. 17 bis 20 gezeigten und im folgenden beschriebenen Modifikationen vorzunehmen sind.

In Fig. 17 ist der Körper 51' gezeigt, der mit dem Körper (vgl. Fig. 3) identisch sein kann. Die Mittelteile 126', 126" der Membranen 123'', 131'' sind auf der gesamten Stirnfläche des Mittelbolzens 130¹ befestigt. Die Membranen 123", 131'' können bei Bedarf identisch mit den Membranen 123, 131 (vgl. Fig. 11) sein. Der Mittelbolzen 130' ist um beispielsweise 0,75 mm kürzer als die Abmessung d . Der Winkel θ ist daher in Fig. 17 aus Klarheitsgründen vergrösserc dargestellt und kann beispielsweise 0,43° betragen. Ein solch kleiner Winkel ergibt eine beträchtliche Verminderung der Temperaturempfindlichkeit/ d.h. der Temperaturfehlerbereich wird um den Faktor 10 verringert. Bei Bedarf kann die Abmessung d zwischen ca. O,75 mm und 0,12 mm, vorzugsweise 0,37 mm, betragen oder der Mittelbolzen 130'kann um ca. 0,37 mm bis 1,5 mm kürzer sein als die Abmessung d . Anders ausgedrückt, kann somit d zwischen

ca. 1/2 % und 2 % von 2R liegen, bzw. der Mittelbolzen 130' kann zwischen ca. 1 % und 4 % von 2R kürzer sein als d„.

Cl

Vor dem Zusammenbau des Mittelbolzens 130' mit den Membranen 123'', 131'' sind diese ohne mechanische Vorspannung und können daher so wie in Fig. 18 aussehen. Fig. 19 kann als Vollausschlag-Lage des Ausführungsbeispiels nach Fig. angesehen werden. Dieses Ausführungsbeispiel kann zur Fehlerkompensation der auf die Ausdehnung der Füllflüssigkeit zurückgehenden und/oder anderen Fehler verwendet werden.

In Fig. 20 ist der Mittelbolzen 130'' langer als die Abmessung e und an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnflächen 126' '', 126' ■·· mit den Membranen 123'", 131¹¹¹ fest verbunden. Der Winkel«^ kann dabei wiederum kleiner als in Fig. 20 sein. Die Ausführungsform nach Fig. 20 kann zur Temperaturkompensation solcher FehJLer verwendet werden.

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- 1 I

die durch unterschiedliche Elastizitätsmoduln der Membranen 123¹" und 131¹" entstehen.

Der Ausdruck "erste und zweite Flüssigkeiten" soll in der Beschreibung und in den Ansprüchen entweder zwei Teile zweier verschiedener Flüssigkeiten oder zwei Teile ein und derselben Flüssigkeit bedeuten.

Der Ausdruck "vorgegebene Abstände" soll in Beschreibung und Ansprüchen den Absolutwert des Abstandes oder der Differenz bedeuten.

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Claims (9)

- 22 - !,·!>.Lyon - Patentansprüche

1.) Differentialdruck-Messeinheit mit zwei Membranen, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen mechanisch vorge spannt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen dadurch mechanisch vorgespannt sind, dass ein Block (51) mit zwei Ringflächen (3 24, 125) und zentralem Durchgangr.loch eines, ersten vorgegebenen Abstandes vorgesehen ist, in dem ein Mittelbolzen (130) frei beweglich angeordnet ist, dessen Stirnflächen einen zweiten vorgegebenen Abstand voneinander auf v/eisen, dass die beiden Membranen zentral an den beiden Stirnflächen des Mittelbolzens and peripher an den beiden Ringflächen befestigt sind, und dass der eine Abstand grosser als der andere ist.

3c Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand grosser als der zweite Abstand ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand um 1 % bis 4 % des inneren Durchmessers der Ringfläche (124, 125) des Blockes (51) bei der Druckdifferenz null grosser ist als der zweite Abstand.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Blockes mit einer thermisch expandierenden Flüssigkeit gefüllt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Membranen gleiche Abmessungen und Form aufv/eisen sowie aus demselben Material mitteln desselben Arbeitsganges hergestellt sind,und dass die Ringflächen gleiche innere und äussere Durchmesser auf v/eisen.

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- 23 - L.D.Lyon - 2

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand grosser als der erste ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Membran (123) einen anderen Elastizitätsmodul als die zweite Membran (131) aufweist.

9. Anordnung nach'Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand zwischen 0,37 mm und 1,5 mm grosser ist als der erste Abstand.

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