DE2503401A1

DE2503401A1 - Differenzdruckwandler fuer einen stroemungsmesser

Info

Publication number: DE2503401A1
Application number: DE19752503401
Authority: DE
Inventors: Tadashi Nishihara
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1974-03-08
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1975-09-11
Also published as: CA1024773A; JPS587182B2; US3995493A; JPS50120883A; NL7502341A; GB1447956A; AU7783875A; DE2503401B2

Description

PATENTANWÄLTE ·

HENKEL, KERN, FEILER &RÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND TELEX: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 WECHSELBANK MÜNCHEN Nr. 318-85IH

»-8000 MÜNCHEN 90 SSSSffS&STi 'J"=

Yokogawa Electric Works, Ltd.
Tokio, Japan

2 a JAM. 1975

Differenzdruckwandler für einen Strömungsmesser

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Durchsatz- oder Strömungsmessungen in der Verfahrensindustrie und betrifft insbesondere einen Wirkdruck- bzw. Differenzdruckwandler, der einen Differenzdruck in ein elektrisches Signal umzuwandeln vermag.

Bei Verfahrens-Strömungsmessungen ist es üblich, eine Drosseleinrichtung, etwa eine Düse in die Verfahrensrohrleitung einzuschalten. Vor und hinter der Drosseleinrichtung tritt dabei bekanntlich ein Druckunterschied auf, welcher der Strömungsmenge des die Rohrleitung durchströmenden Strömungsmittels entspricht.

Ein bisher angewandter Differenzdruckwandler ist in den US-PSen 3 238 479 und 3 336 525 offenbart, und Fig. 1 ist eine den Aufbau eines solchen Wandlers veranschaulichende Schnittansicht. Gemäß Fig. 1 ist eine Membran 2 in der Mitte eines Gehäuses 1 angeordnet. Der Druck des zu messenden Strömungsmittels wird dabei in zwei Kammern 31 und 32 eingeleitet, die durch die Membran 2 voneinander getrennt sind. Die Membran 2 wird folglich durch den Druckunterschied zwischen den beiden Kammern ausgelenkt. Diese Auslenkung wird durch Fühlspulen 41 und 42 nach dem Wirbelstromprinzip abgegriffen. Dieser bekannte Wandler kennzeichnet sich dadurch,

Ho/Bl/ro -

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daß das Gehäuse 1, die Membran 2 sowie die Anker 51 und 52 der Fühlspulen aus einem nicht-magnetischen Werkstoff bestehen und daß der Wandler einen einfachen Aufbau besitzt und in geringstmöglichem Maß durch Temperaturänderungen beeinflußt wird.

Diesem bekannten Wandler haften jedoch auch Nachteile an. Beispielsweise ist dabei ein Leckfluß elektrischer Ströme von den Fühlspulen möglich, weil diese Spulen mit dem zu messenden Strömungsmittel unmittelbar in Berührung stehen. Dieser Umstand ist jedoch im Hinblick auf die Sicherheit einer druckbeständigen und explosionssicheren Konstruktion der Vorrichtung unerwünscht. Wenn zudem ein übermäßiger Druck auf den Wandler einwirkt, besteht eine Möglichkeit für eine Überauslenkung der Membran 2, so daß in dieser eine bleibende Verformung oder Spannung hervorgerufen werden kann. Wenn außerdem der Druckunterschied mit hoher Genauigkeit gemessen werden soll, müssen gewisse Vorkehrungen getroffen, beispielsweise die Frequenz des an die FUhI-spulen angelegten Wechselstroms erhöht werden, da das Gehäuse 1, die Membran 2 und die Anker 51 und 52 aus nichtmagnetischem Werkstoff bestehen. Kurz gesagt: Dieser bekannte Wandler eignet sich in der Praxis nicht sehr zufriedenstellend für die Strömungsmessung in der Verfahrensindustrie.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruckwandler zu schaffen, der sich für die Durchsatz- oder Strömungsmessung bei industriellen Verfahren eignet.

Im Zuge dieser Aufgabe bezweckt die Erfindung auch die Schaffung eines Differenzdruckwandlers mit hoher Ansprechempfindlichkeit, der unbeeinflußt von Temperaturänderungen und mit einer linearen Kennlinie des differenzdruckab-

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hängigen elektrischen Ausgangssignals zu arbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einem Differenzdruckwandler (für einen Strömungsmesser) mit einer Meßmembran aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitenden Werkstoff erfindungsgemäß gelöst durch zwei Tragkörper, zwischen denen die Meßmembran gehaltert bzw. verspannt ist und welche ihre beiden Seiten verbindende Drucltflbertragungsbohrungen aufweisen, durch Dichtmembranen, welche die anderen Seiten der Tragkörper abdecken und welche an den Umfangsrändern der Tragkörper "befestigt sind, durch in den Tragkörpern vorgesehene Meß- oder Fühlspulen, welche der Meßmembran jeweils über einen schmalen Spalt hinweg zugewandt und ein vorbestimmtes Stück von den Mündungen der Druckübertragungsbohrungen entfernt angeordnet sind, wobei die Fühlspulen Kerne bzw. Anker aus magnetischem Material aufweisen, und durch ein Dichtfluidum, welches die Druckübertragungsbohrungen und die zu beiden Seiten der Tragkörper gebildeten Kammern ausfüllt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist also eine Meß-Membran aus einem elektrisch leitenden Werkstoff zwischen zwei Tragkörpern angeordnet, die an der einen Seite mit Dichtmembranen belegt sind. In den Tragkörpern sind Fühlspulen mit aus einem magnetischen Werkstoff bestehenden Kernen oder Ankern in der Weise angeordnet, daß diese Spulen der Meßmembran jeweils über einen kleinen Spalt zugewandt sind. Eine Bohrung mündet im Tragkörper an einer ein vorgegebenes Stück von der Fühlspule entfernten Stelle. Über diese Bohrung stehen die zu beiden Seiten des Tragkörpers gebildeten Kammern in gegenseitiger Verbindung. Die Bohrung und die Kammern sind mit einem Dichtfluidum gefüllt. Wenn ein zu messender Druck an jeder

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Seite der Dichtmembran eingeleitet wird, wirkt dieser Druck über das Dichtfluidum auf die beiden Seiten der Meßmembran ein. Infolgedessen wird die Meßmembran über ein dem Druckunterschied entsprechendes Stück nach einer Seite ausgelenkt. Diese Auslenkung wird durch die Fühlspulen nach dem Wirbelstromprinzip in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines bereits angewandten Wandlers,

Fig. 2A und 2B in Aufsicht bzw. im Schnitt längs der Linie IIB-IIB in Fig. 2A die Konstruktionsmerkmale eines Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Schaltbild eines elektrischen Schaltkreises für die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des Wandlers bei der Messung der Auslenkung bzw. des Ausschlags der Meßmembran,

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines dem Schaltkreis gemäß Fig. 3 äquivalenten Schaltkreises,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäß verwendeten Fühlspule,

Fig. 7 ein Schaltbild eines Schaltkreises für den erfindungsgemäßen Wandler,

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Fig. 8A Ms 8C graphische Darstellungen des Frequenzgangs der Admittanzen Y1 und Y2 der im Schaltkreis gemäß Fig. 7 verwendeten Fühlspulen, wobei Fig. 8A die Änderungen der Werte von Y^ und Y^, Fig. 8B die Änderungen des Werts von ^Y-i-Yp ^un(i Fig. 8C die Änderungen des Werts von d(Y^-Y^)/df zeigt,

Fig. 9 eine Ansprechempfindlichkeit/Frequenz-Kennlinie des Schaltkreises gemäß Fig. 7 und

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Geometrie der Fühlspule mit der Kennlinie gemäß Fig. 9.

Gemäß Fig. 2A und 2B weist der erfindungsgemäße Wandler eine Meßmembran 10 in Form einer flachen Scheibe aus einem Werkstoff wie Berylliumkupfer mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit, zwei Dichtmembranen 21 und 22 jeweils in Form einer flachen, korrosionsbeständigen Metallscheibe mit einer Dicke von etwa 0,1 mm sowie zwei Tragkörper 31 und 32 auf, welche die Meßmembran 10 und die Dichtmembranen -21 und 22 haltern. In den Tragkörpern 31 und 32 sind Meß- bzw. Fühlspulen 41 bzw. 42 in der Weise angeordnet, daß jede Spulenfläche der Meßmembran 10 über einen schmalen Spalt hinweg zugewandt ist. Mit und 52 sind Gehäuseteile und mit 71 und 72 Zuleitungen bezeichnet.

Die Tragkörper 33 und 34 weisen umfangsmäßig verlaufende erhabene Abschnitte 33 bzw. 34 auf, wobei die Meßmembran 10 zwischen diese erhabenen Abschnitte 33 und 34 eingesetzt und mittels einer Schraube 30 zwischen den Tragkörpern und 32 verspannt ist. Bei dieser Konstruktion ist der Innenraum zwischen den Tragkörpern 31 und 32 durch die Meßmembran

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-ο-

ΙΟ in zwei Kammern unterteilt. Die Konstruktion, bei welcher die Meßmembran 10 an den erhabenen Abschnitten 33 und 34 unter Druck zwischen den Tragkörpern 31 und 32 verspannt ist, ist insofern vorteilhaft, als dabei im Gegensatz zu einer Konstruktion, bei welcher die Meßmembran an den Tragkörpern angeschweißt ist, die Hysterese der Meßmembran ausgeschaltet wird. An den anderen Seiten besitzen die Tragkörper 31 und 32 vertiefte bzw. konkave Flächen 35 bzw. 36, welche den Flächen der Dichtmembranen 21 bzw. 22 angepaßt sind, wenn letztere ausgelenkt werden. Die Dichtmembranen 21 und 22 bedecken die konkaven Flächen 35 bzw. 36 und sind an deren Umfangsrändern 37 bzw. 38 durch Schweißen, Löten o.dgl. befestigt. Infolgedessen wird der zwischen dem Tragkörper 31 und dem Gehäuseteil 51 festgelegte Innenraum durch die Dichtmembran 21 in zwei Kammern 23 und 24 unterteilt. Die konkave Fläche 35 dient dabei als Stütz- oder Anlagefläche für die Dichtmembran 21. Bei Anlegung eines übermäßig hohen Drucks kommt die Dichtmembran mit der konkaven Fläche in Berührung, wodurch eine übermäßige Auslenkung der Meßmembran 10 verhindert wird. Der zwischen dem Tragkörper 32 und dem Gehäuseteil 52 gebildete Innenraum ist dagegen durch die Dichtmembran 22 in zwei Kammern 25 und 26 unterteilt. Hierbei dient die konkave Fläche 36 als Stütz- oder Anlagefläche für die Dichtmembran 22. Im Tragkörper 31 ist eine Druckübertragungsbohrung 27 ausgebildet, deren Mündung ein vorbestimmtes Stück von der Meßspule 41 entfernt liegt. Über diese Bohrung stehen die Kammern 11 und 23 zu beiden Seiten des Tragkörpers 31 in Verbindung miteinander. Eine andere, im Tragkörper 32 ausgebildete Druckübertragungsbohrung 28 liegt mit ihrer Mündung ebenfalls ein vorbestimmtes Stück von der Fühlspule 42 entfernt, und über diese Bohrung sind die Kammern 12 und 25 zu beiden Seiten des Tragkörpers 32 miteinander verbunden. Der Abstand von der Fühlspule zur Mündung der Boh-

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rung hängt von der Größe der Fühlspule und von dem letztere durchfließenden Strom ab. Die Kammer 11, die Bohrung 27, die Kammern 23 und 12, die Bohrung 28 und die Kammer 25 sind mit einem nichtkompressiblen Dichtfluidum gefüllt. Der eine der Dichtmembranen beaufschlagende Druck wird daher über das Dichtfluidum genauestens auf die eine Seite der Meßmembran übertragen. Das Gesamtvolumen der mit dem Dichtfluidum gefüllten Räume ist sehr klein, da sowohl die Meßmembran als auch die Dichtmembranen aus flachen Schei-. ben bestehen, so daß die Volumina der Kammern 11, 12, 23 und 25 äußerst klein gehalten werden können. Die Volumenänderung des Dichtfluidums infolge von Temperaturänderungen wird nahezu gleichmäßig von den Dichtmembranen 21 und 22 aufgenommen. Aus diesem Grund kann der Einfluß einer Volumenänderung des Dichtfluidums weitgehend vermindert werden.

Die Fühlspulen 41 und 42 sind auf Kerne bzw. Anker 43 bzw. 44 aus einem magnetischen Werkstoff, wie rostfreiem Stahl des Ferrit-Typs aufgewickelt. Die Anker sind dabei mit Hilfe von Schrauben 47 bzw. 48 und Abstandstücken 45 bzw. 46 etwa im Zentrum des betreffenden Tragkörpers 31 bzw. 32 angeordnet. Im Fall einer Funkenbildung an der Fühlspule 41 und 42 infolge eines Kurzschlusses oder einer anderen Störung wird die Funkenenergie über die Bohrungen 27 und 28, das Dichtfluidum innerhalb der Kammern 23 und 25 sowie die Dichtmembranen 21 und 22 nach außen abgeleitet. Aber auch in diesem Fall wird der größte Teil der Energie auf dem langen Weg von den Bohrungen zu den Dichtmembranen vernichtet, wodurch die Explosionssicherheit der Vorrichtung erhöht wird. Vorzugsweise bestehen die Abstandstücke 45 und 46 aus einem magnetischen Material, dessen temperaturabhängige Eigenschaften, wie linearer Ausdehnungskoeffizient, denen des magnetischen Werkstoffs, welcher die Kerne 43 und 44 bildet, entgegengesetzt sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als sich dabei die Ände-

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rungen der Eigenschaften der Abstandstücke und der Kerne aufgrund von Temperaturänderungen gegenseitig aufheben und der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Messung verringert werden kann.

Die Gehäuseteile 51 und 52 sind am Umfang mit erhabenen Abschnitten 53 und 54 versehen, welche gegen die zugeordnete Fläche des betreffenden Tragkörpers 31 bzw. 32 andrücken und mit Hilfe von Schrauben 61 und Muttern 62 derart an den Tragkörpern befestigt sind, daß sie sich an die Dichtmembranen 21 bzw. 22 anlegen. Der Gehäuseteil 51 und die Dichtmembran 21 bilden somit eine geschlossene Kammer. Ebenso bilden auch der Gehäuseteil 52 und die Dichtmembran 22 eine geschlossene Kammer 26. Die Gehäuseteile 51 und 52 sind mit Druckübertragungsbohrungen 55 bzw. 56 versehen, welche zu den Kammern 24 bzw. 26 führen.

Der vorstehend beschriebene Wandler arbeiiEt wie folgt: Der über die Druckübertragungsbohrungen 55 und 56 in die Kammern 24 und 26 eingeleitete Druck beaufschlagt die Dichtmembranen 21 und 22 und wird von hier über das Dichtfluidum zu den Kammern 11 und 12 übertragen. Die Meßmembran wird dabei über ein dem Druckunterschied entsprechendes Stück zu der Kammer hin ausgelenkt, in welcher der Druck niedriger ist. Dies bedeutet, daß die Meßmembran 10 ausgelenkt wird, bis die auf sie durch den Druckunterschied ausgeübte Kraft gleich der in der Meßmembran infolge ihrer Auslenkung erzeugten Kraft wird. Diese Auslenkung wird durch die Fühlspulen 41 und 42 als Induktivitätsänderung festgestellt, wobei ein dem Differenzdruck oder Druckunterschied entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird.

Fig. 3 ist ein Schaltbild eines die Fühlspulen 41 und 42 ~~ einschließenden elektrischen Schaltkreises, welcher mit

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hoher Genauigkeit (z.B. mit einer Fehlerquote von unter 0,1%) den Ausschlag (z.B. 0,1 mm bei maximalem Druckunterschied) der Meßmembran zu messen vermag. Der Schaltkreis kann außerdem mit niedriger Leistung betrieben werden, so daß er sich für industrielle Meßzwecke eignet. Der Schaltkreis gemäß Fig. 3 enthält die Fühlspulen 41 und 42 gemäß Fig. 2, Dioden D₁ bis Dg, Kondensatoren C^ bis C,, Widerstände. R^ und R₂, Verstärker A^ und A₂, einen Oszillator OSC zur Lieferung eines Wechselstromsignals zu den Fühlspulen 41 und 42, eine Bezugsspannungsquelle Er und eine Aus gangs klemme To. Die Dioden D-, bis Dg bilden eine Meßbrücke. Die Reihenschaltung aus den Fühlspulen 41 und 42 ist zwischen die Stromspeiseklemmen a und b der Meßbrücke geschaltet. Eine Parallelschaltung aus dem Kondensator C_? und dem Widerstand R₂ ist zwischen die elektrischen Meßklemmen f und g der Meßbrücke geschaltet. Der Oszillator OSC arbeitet mit der Ausgangsspannung des Verstärkers A₂, wobei die eine Ausgangsklemme O. des Oszillators an die Verzweigung zwischen den Fühlspulen 41 und 42 und seine andere Ausgangsklemme Op über den Kondensator C, und die Diode D- an die elektrische Meßklemme f der Meßbrücke angeschlossen ist. Eine Reihenschaltung aus der Diode D₂ und dem Kondensator Crfist parallel zur Diode D. geschaltet, und der Widerstand R,. ist parallel zum Kondensator C- geschaltet. Die eine Eingangsklemme des Verstärkers A^ ist mit der Meßklemme g der Meßbrücke verbunden, während seine andere Eingangsklemme an deren Meßklemme f angeschlossen ist. Die eine Eingangsklemme des Verstärkers A₂ ist mit der Verzweigung zwischen Kondensator C,, Diode D₂ und Widerstand R^ verbunden, während seine andere Eingangsklemme an die Bezugsspannungsquelle Er angeschlossen ist.

Der beschriebene Schaltkreis arbeitet wie folgt: Wenn an die Fühlspulen 41 und 42 ein Wechselstromsignal angelegt

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wird, entsprechen die Größen der in diesen Spulen fließenden Ströme den Spulenadmittanzen Y₁ bzw. Yp. Infolgedessen wird gemäß Fig. 4 ein Fluß φ um die Spulen 41 und 42 herum erzeugt, welcher in der aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehenden Meßmembran 10 einen Wirbelstrom induziert. Der Wirbelstrom erzeugt dabei einen anderen magnetischen Fluß φ* _t welcher dem Fluß φ entgegengesetzt ist. Die resultierende Verringerung des Flusses φ entspricht genau der Auslenkung bzw. dem Ausschlag der Meßmembran 10. Diese Flußänderung entspricht der Änderung der differentiellen Admittanzkomponente der beiden Fühlspulen 41 und

Die in den Spulen 41 und 42 fließenden Ströme ändern sich differentiell, wenn sich die Admittanzkomponenten dieser Spulen entsprechend der Auslenkung der Meßmembran differentiell ändern. In diesem Zusammenhang sei eine Halbperiode betrachtet, während welcher der Oszillatorausgang O. positiv und der Ausgang O₂ negativ ist. Während dieser Halbperiode fließt der Strom I,. der Spule 41 über die Diode D₅, den Widerstand Rp (Kondensator Cp), die Diode D_ und den Kondensator C.,, während der Strom Ip der Spule 42 über die Diode D,, den Widerstand R* (Kondensator C^), die Diode Dp und den Kondensator C, fließt. Während dieser Halbperiode wird daher eine dem in der Fühlspule 41 fließenden Strom I^ entsprechende Spannung im Kondensator C2 und eine der Summe der in den Fühlspulen 41 und 42 fließenden Ströme I^ und I₂ entsprechende Spannung im Kondensator C. gespeichert. Während der nächsten Halbperiode, während welcher der Oszillatorausgang 0. negativ und der Ausgang O₂ positiv ist, fließt der Strom I^ über den Kondensator C,, die Diode D. und die Diode D_, während der Strom I₂ über den Kondensator C,, die Diode D^, den Widerstand R₂ (Kondensator C₂) und die Diode Dg fließt. In dieser Halbperiode wird daher eine dem Strom I₂ der Spule 42 entsprechende Spannung im Kondensator C₂ ge-

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speichert. Während der gesamten Periode wird daher eine dem Unterschied zwischen den in den Spulen 41 und 42 fliessenden Strömen I₁ und I₂ entsprechende Spannung im Konden- sator C₂ gespeichert, während eine der Summe der Ströme I₁ und Ir, entsprechende Spannung im Kondensator C₁ gespeichert wird.

Fig. 5 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild des Schaltkreises gemäß Fig. 3, in welchem Y₁ die Admittanz bzw. den Scheinwiderstand der im wesentlichen aus der Fühlspule 41 bestehenden Schaltung und Y₂ die Admittanz der im wesentlichen aus der Fühlspule 42 bestehenden Schaltung bedeuten. Gemäß Fig. 6 besteht die Admittanz Y₁(Y₂) aus der Induktivität Lq, dem Widerstand R_Q und der Streukapazität C_Q der Fühlspule 41(42), wobei die Werte dieser einzelnen Elemente von der Zahl der Windungen der Fühlspule, der Dicke des Spulendrahts, der Form der Spule, der Form und dem Werktstoff der Spulenkörper usw. abhängen.

Im Ersatzschaltkreis von Fig. 5 gelten die folgenden Bedingungen: .

(2)

(3)

(4)

I	= V(Y₁	+ Y₂)
I₁	= VY₁
*2	= vy₂
¹O	= I₁ -
	= V(Y₁	-Y₂)
	Iv¹	- ^Y2
	... _t	+ Y₂

worin'

V = die Spannung des Wechselstromsignals vom Oszillator OSC,

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I = den Strom des Wechselstromsignals vom Oszillator OSC und

Iq = den Ausgangsstrom
bedeuten.

In Gleichung (4) ist der Ausgangsstrom Iq dem Unterschied zwischen den Admittanzen Y₁ und Y₂ bzw. dem Verhältnis

^p^g proportional, vorausgesetzt, daß die Spannung V oder die Stromstärke I des Oszillators OSC konstant gehalten wird. Im Schaltkreis gemäß Fig. 3 sind das Eingangssignal des Verstärkers A₂ die Bezugsspannung Er und die im Kondensator C₁ gespeicherte Spannung e~, welche der Summe der Ströme I₁ und Ip entspricht. Die Stromquelle für den Oszillator OSC wird so geregelt, daß e« und Er gleich einem vorgegebenen Wert sind. Die Summe der in den Fühlspulen 41 und 42 fließenden Ströme wird daher konstant gehalten. Der Ausgangsstrom Iq entspricht daher der Änderung der Admittanzen Y₁ und Y₂.

Im folgenden sei angenommen, daß der Ausgangsstrom Iq Null beträgt (Nullpunkt) und die Admittanzen Y₁ und Y₂ gleich sind (d.h. Yq), wenn sich die Meßmembran 10 in einem Gleichgewichtszustand befindet. Wenn dann Admittanzänderungen AY₁ und δΥ₂ infolge von Störung dieses Zustande auftreten und sich die Admittanz des einen Stromkreises von Y₁ auf Yq+ AY₁ und diejenige des anderen Stromkreises von Y₂ auf Yq+ AY₂ ändert, lassen sich Gleichungen (1) und (4) wie folgt umschreiben:

I = V(2Yq + ^Y₁ + ΔΥ₂) (5)

I₀ = V(AY₁ - ΔΥ₂) .......... (6)

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Durch Weglassung von V in Gleichungen (5) und (6) ergibt sich Ι« als

τ _
¹O ~

O ~ 2Y

Bei einer Auslenkung der Meßmembran 10 erfolgen gemäß Gleichung (7) die Admittanzänderungen δΥ^ und AY₂ differentiell und gleichartig. Im Fall von AY^ = - ZSY₂ = ΔΥ läßt sich Gleichung (7) daher wie folgt umschreiben:

τ
¹

Dies zeigt, daß der Ausgangsstrom Iq genau den Admittanzänderungen der Fühlspulen 41 und 42, d.h. der Auslenkung der Meßmembran 10 entspricht. Da das Ausgangssignal dem Admittanzunterschied entspricht ₉ läßt sich die Linearität verbessern.

Gemäß Gleichung (7) ändern sich die Admittanzen £2^ und mit Temperaturänderungen, was zu einer Änderung des Nullpunkts des Ausgangssignals und mithin zu einem Nullpunktfehler führt. Es sei angenommen, daß die Admittanzänderungen infolge von Temperaturänderungen ΔΥ^ und ΔΥ^ entsprechen und ausreichend kleiner sind als die Admittanzänderung ΔΥ entsprechend der Auslenkung der Meßmembran. Wenn dann gilt, /^₁₁ = m£S und ΔΥ₂₁ = n/sSf (mit m, n«1), wird der Ausgangsstrom für die Nullpunktsverschiebung anhand von Gleichung (7) als

Ι(πιδΥ - ηΔΥ)

OZ ⁼ 2Y₀ + mfiY + ηΔΥ

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erhalten.

Da 2Υ₀»πιδΥ, ηΔΧ", gilt

τ - τ MAY - ηΔΥ
¹OZ - ^τ ^W^

Der durch Temperaturänderung verursachte relative Fehler läßt sich daher anhand von Gleichungen (8) und (9) wie folgt bestimmen:

Relativer Fehler =

do)

Gleichung (10) zeigt, daß der relative Fehler infolge von Temperaturänderung auf Null reduziert werden kann, indem die Werte der Admittanzänderungen AY₁₁ und ΔΥ₂₁ einander gleich gemacht werden (d.h. m = η in Gleichung (10)), selbst wenn diese Admittanzänderungen eine beträchtliche Größe besitzen.

Fig. 7 veranschaulicht einen für die Erfindungszwecke verwendbaren elektrischen Schaltkreis, welcher grundsätzlich dem Schaltkreis gemäß Fig. 3 entspricht, weshalb in den Fig. 3 und 7 einander entsprechende Schaltkreiselemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Der Oszillator OSC wird durch einen Rückkopplungs-Oszillator mit einem Transistor Tr und einem Transformator T gebildet, und er schwingt auf der Resonanzfrequenz eines Abstimmkreises mit einer Ausgangsspule Uq* und einem Kondensator C^, während die Schwingungsamplitude von der in einem Kondensator C.

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gespeicherten Spannung abhängt. Bei diesem Schaltkreis ist die Schwingfrequenz des Oszillators OSC etwa auf die den Fühlspulen 41 und 42 eigenen Resonanzfrequenzen festgelegt, so daß die Meß-Ansprechempfindlichkeit erhöht und die Nullpunktabweichung infolge von Frequenzabweichungen des Oszillators ausgeschaltet wird. Dieses Merkmal ist nachstehend noch näher erläutert.

Fig. 8A veranschaulicht den Frequenzgang bzw. die Frequenzabhängigkeit der Admittanzen der durch den Oszillator OSC angesteuerten Fühlspulen 41 und 42. In Fig. 8A bedeutet Y₀ die Admittanz der Fühlspulen 41 und 42 bei in ihrer Mittelstellung (d.h. in der Gleichgewichtsstellung) stehender Meßmembran 10. In diesem Zustand sind die Admittanzen der beiden Fühlspulen nahezu gleich, wobei eine Resonanzcharakteristik mit der Resonanzfrequenz f erzielt wird. Die Symbole Y^ und Yp geben die Admittanzen der Fühlspulen 41 und für den Fall an, daß die Meßmembran 10 ausgelenkt ist. Die Kennlinien der beiden Admittanzen Y^ und Y₂ weichen dabei in den mit den Pfeilen k^ bzw, k₂ bezeichneten Richtungen geringfügig von der Kennlinie Y_Q ab. Infolgedessen weichen auch ihre Resonanzfrequenzen nach f^ bzw. f₂ etwas von f₀ ab.

Fig. 8B zeigt den Frequenzgang der Differenzadmittanz (Y,. - Yp) bei ausgelenkter Meßmembran-10, während Fig. 8C einen Frequenzgang zeigt, wie er durch Differenzieren der Differenzadmittanz (Y^ - Yp) gegenüber der Frequenz f erhalten wird.

Wie aus den Fig. 8B und 8C hervorgeht, wird die Differenzadmittanz (Y,. - Yp) der Fühlspulen 41 und 42 bei Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz f der Spulen 41 und 42, insbesondere bei f·, und f^, am größten, und die differenzierte Admittanz d(Y^ - Yp)/df schneidet die Frequenzachse

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bei Frequenzen f, und f^, bei denen d(Y₁ - Y₂) den Wert Null annimmt.

Eine Erhöhung des Werts (Y,. - Yp) zeigt, daß sidh - wie in Gleichung (4) veranschaulicht - der Ausgangsstrom I_Q erhöht und sich die Ansprechempfindlichkeit ebenfalls vergrößert. Der bei Null oder nahe bei Null liegende Wert von d(Y^ - Y₂)/df zeigt, daß die Empfindlichkeitsänderung bei Änderungen der Frequenz Null oder nahezu Null beträgt.

Fig. 9 veranschaulicht die Kennlinie der Ansprechempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Frequenz des Schaltkreises insgesamt. Diese Kennlinie wurde aufgrund von Versuchen erhalten, bei denen Fühlspulen der Form gemäß Fig. 10 verwendet wurden. Gemäß Fig. 10 beträgt der Abstand vom Ende der Fühlspule zur Meßmembran 0,45 mm, und die Eingangsauslenkung der Meßmembran beträgt 0,25 mm.

Wie aus Fig. 9 hervorgeht, nimmt die Ansprechempfindlichkeit mit einer Erhöhung der Frequenz insgesamt zu, doch ist ein stabiler Bereich um die Resonanzfrequenz f der Fühlspule herum vorhanden, in welchem sich die Ansprechempfindlichkeit bei Änderungen der'Frequenz nicht ändert. In diesem Bereich bleiben der Nullpunkt des Ausgangssignals und der Wert der Meßspanne unverändert, auch wenn sich die Frequenz um einen geringen Betrag ändert.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 7 verwendet einen einfachen selbsterregten Oszillator mit einem Transformator T. Bei Verwendung eines solchen einfachen Oszillators sind allerdings Frequenzänderungen oder -abweichungen des Ausgangssignals unvermeidbar.

Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform können

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durch Wahl der Schwingfrequenz des Oszillators OSC, so daß sie im Bereich der Resonanzfrequenz der Fühlspule liegt, die Meßempfindlichkeit und die Stabilität erhöht werden, während gleichzeitig der Nullpunkt und der Meßspannenwert unverändert bleiben, auch wenn die Schwingfrequenz des Oszillators geringfügig abweicht.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Meßmembran 10 zwischen den beiden Tragkörpern 31 und 32 gehaltert, d.h. verspannt, wobei die Halterung durch Verbindung der Tragkörper mittels der Schraube 30 erfolgt. Wahlweise kann die Meßmembran 10 aber auch durch Schweißen o.dgl. an den Tragkörpern 31» 32 befestigt sein. Obgleich bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vier Bohrungen 27 und 28 vorgesehen sind, über welche die Kammern zu beiden Seiten der Tragkörper 31» 32 miteinander in Verbindung stehen, können jedoch auch weniger oder mehr als vier Bohrungen vorgesehen sein.

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Claims

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Patentansprüche

Differenzdruckvrandler (für einen Strömungsmesser) mit einer Meßmembran aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitenden Werkstoff, gekennzeichnet durch zwei Tragkörper (31» 32), zwischen denen die Meßmembran (10) gehaltert bzw. verspannt ist und welche ihre beiden Seiten verbindende DrucHlbeütragungsbohrungen (27, 28) aufweisen,durch Dichtmembranen (24, 26), welche die anderen Seiten der Tragkörper abdecken und welche an den Umfangsrändern der Tragkörper befestigt sind, durch in den Tragkörpern vorgesehene Meß- oder Fühlspulen (41, 42), welche der Meßmembran (10) jeweils über einen Schmalen Spalt hinweg zugewandt und ein vorbestimmtes Stück von den Mündungen der Druckübertragungsbohrungen entfernt angeordnet sind, wobei die Fühlspulen Kerne bzw. Anker (43, 44) aus magnetischem Material aufweisen, und durch ein Dichtfluidum, welches die Druckübertrcgungsbohrungen und die zu beiden Seiten der Tragkörper (31, 32) gebildeten Kammern ausfüllt.

Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembran durch Verbindung der Tragkörper mittels einer Schraube zwischen den Tragkörpern gehaltert und verspannt ist.

Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem magnetischen Werkstoff bestehende Abstandstücke an Stellen angeordnet sind, durch welche die Magnetflüsse, die durch die in den Fühlspulen fließenden Ströme erzeugt werden, verlaufen, und daß der magnetische Werkstoff der Abstandstücke und der der Kerne der Fühlspulen entgegengesetzte temperaturabhängige Eigenschaften besitzen O

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4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den von der Meßmembran abgewandten Seiten der Tragkörper konkave Flächen vorgesehen sind, welche den gekrümmten Flächen der Dichtmembranen in deren ausgelenktem Zustand angepaßt sind und welche als Stütz- oder Anlageflächen für die Dichtmembranen dienen.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis zur Lieferung von Wechselstromsignalen zu den Fühlspulen, ein Regelkreis zur Regelung oder Einstellung der Summe der in den beiden Fühlspulen fließenden Ströme auf einen konstanten Wert und ein Schaltkreis vorgesehen sind, welcher als Ausgangssignal den Unterschied zwischen den in den beiden Fühlspulen fließenden Strömen ableitet.

6. Wandler nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals des Schwingkreises im Bereich der Resonanzfrequenz der Fühlspulen liegt.

6. Differenzdruckwandler mit einer Meßmembran aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Tragkörper, die zwischen sich die Meßmembran haltern und welche mit ihre beiden Seiten verbindenden Druckübertragungsbohrungen versehen sind, deren Mündungen in einem vorbestimmten Abstand vom Zentrum des betreffenden Tragkörpers angeordnet sind, durch Schrauben zur Verbindung der beiden Tragkörper und damit zur Befestigung der Meßmembran an ihnen, durch Dichtmembranen, welche die anderen Seiten der Tragkörper bedecken und welche an den Umfangsrändern der Tragkörper . angeschweißt sind, durch etwa im Zentrum der Tragkörper angeordnete Meß- oder Fühlspulen, welche der Meßmembran

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über schmale Spalte hinweg zugewandt sind und welche Kerne bzw. Anker aus magnetischem Material aufweisen, durch ein Dichtfluidum, welches die Druckübertragungsbohrungen und die auf beiden Seiten der Tragkörper gebildeten Kammern ausfüllt, und durch Gehäuseteile, welche die Dichtmembranen umschließen und geschlossene Kammern bilden, in welche der Druck des zu messenden Strömungsmittels einleitbar ist.

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