DE2503401B2

DE2503401B2 - Differenzdruckwandler

Info

Publication number: DE2503401B2
Application number: DE2503401A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Chofu Tokio Nishihara (Japan)
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1974-03-08
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1979-01-18
Also published as: NL7502341A; JPS587182B2; US3995493A; DE2503401A1; CA1024773A; GB1447956A; JPS50120883A; AU7783875A

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruckwandler mit zwei nebeneinander angeordneten Tragkörpern, einer zwischen den Tragkörpern gehaltenen elektrisch leitenden und nicht magnetischen Meßmembran, wobei jeder Tragkörper eine Ausnehmung aufweist, die mit der Meßmembran eine Meßkammer seitlich von der Meßmembran bildet, in der Meßspulen angeordnet sind, die eine Verschiebung bzw. Auslenkung der Meßmembran nach Maßgabe des Wirbelstrominduktionsprinzips erfassen können, mit einer Oszillatorschaltung, welche die Meßspulen mit Wechselspannungssignalen versorgt, und einer Meßschaltung, welche die Differenz zwischen den in den Meßspulen fließenden Strömen bildet bzw. als Ausgangssignal erfaßt.

Ein derartiger Differenzdruckwandler ist aus der US-PS 32 38 479 bekannt und der Aufbau dieses bekannten Differenzdruckwandlers ist in F i g. 1 in Schnittansicht veranschaulicht. Gemäß F i g. 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, daß das Gehäuse 1, die Membran 2 sowie die Anker 51 und 52 der Fühlspulen aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bestehen, und daß der Wandler einen einfachen Aufbau besitzt und in geringst möglichem Maß durch Temperaturänderungen beeinflußt wird.

Bei dieser bekannten Konstruktion ist jedoch ein Leckfluß elektrischer Ströme von den Fühlspulen möglich, weil diese Spulen mit den zu messenden Strömungsmitteln 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 Oberauslenkung 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 Fühlspulen 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.

Aus der FR-PS 15 53 013 ist ebenfalls ein Differenzdruckwandler mit zwei nebeneinander angeordneten Tragkörpern bekannt, die zwischen sich eine Membran eingespannt halten, wobei jeder Tragkörper mit der Membran eine Kammer bildet, und wobei auch jeder Tragkörper eine Ausnehmung aufweist Weiter ist ein die Ausnehmung mit der mittleren Kammer verbindender Kanal und eine über der Ausnehmung jedes Tragkörpers angeordnete Meßmembran vorhanden. Darüber hinaus sind Zuführungsleitungen vorgesehen, um den Differenzdruck auf die Flächen der Meßmembran außerhalb der Ausnehmungen einwirken zu lassen und sämtliche Kammern und Ausnehmungen bzw. Kanäle sind mit einem Dichtlfuid ausgefüllt.

Dieser bekannte Differenzdruckwandler arbeitet

jedoch nicht nach dem Wirbelstrom-Induktionsprinzip,

sondern es wird die Induktivität der zwei im äußeren Bereich der Tragkörper angeordneten Fühlspulen bei einer Verschiebung der Meßmembran verändert Zu

diesem Zweck ist an den Meßmembranen ein bewegliches Ankerteil befestigt, welches in die Fühlspu-

len hinein bzw. aus diesen herausbewegt werden kann.

Bei dieser bekannten Konstruktion muß die Spannung der Meßmembran genau aufeinander abgestimmt werden, damit im drucklosen Zustand die Ankerteile gleich weit in die jeweilige Fühlspule eingetaucht sind. Dies bedeutete, daß dieser bekannte Differenzdruckwandler zumindest für genaue Messungen bei der Herstellung genau abgeglichen werden muß. Darüber hinaus ist dieser bekannte Differenzdruckwandler aber auch gegenüber einer einseitigen Temperaturbeeinflussung empfindlich.

Schließlich ist aus dem DE-Gbm 19 81612 ein Druckwandler bekannt, um ein Drucksignal in ein entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Dieser bekannte Druckwandler ist mit einer magnetisierbabo ren Membran ausgestattet, die mindestens eine Druckkammer einseitig abschließt und zwischen zwei von magnetisierbarem Material umgebenen Spulen angeordnet ist, deren Induktivität sie gemäß ihrer druckabhängigen Durchbiegung beeinflußt, wobei der b5 Wandler an eine Speise-Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und das Ausgangssignal als druckabhängiges Gleichspannungssignal abgibt. Dieser bekannte Druckwandler ist dadurch gekenn-

zeichnet, daß das die Spulen umgebende magnetisierbar re Material, zumindest insoweit als es zum Schließen des die Spulen durchsetzenden magnetischen Flusses nötig ist, ein Material mit geringen Ummagnetisierungsverlusten ist, und daß eine Schaltungsanordnung zum Zerhacken der Speise-Gleichspannung und zum Demodulieren der von den Spulen abgenommenen Signalwechselspannung mit den übrigen Wandlerteilen zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besieht darin, den Differenzdruckwandler der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß er bei hoher Ansprechempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse unempfindlich ist

Ausgehend von dem Differenzdruckwandler der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßspulen in Kerne aus magnetischem Material eingebettet sind, daß aus einem magnetischen Werkstoff bestehende Abstandsstücke an Stellen angeordnet sind, durch welche die Magnetflüsse, die durch die in den Meßspuien fließenden Ströme erzeugt werden, verlaufen, daß der magnetische Werkstoff der Abstandsstücke und der der Kerne der Meßspulen entgegengesetzte temperaturabhängige Eigenschaften besitzen, und daß eine Regelschaltung zur Konstantregelung der Summe der in den Meßspulen fließenden Ströme vorgesehen ist

Durch die Kombination dieser Merkmale wird ein Differenzdruckwandler erhalten, der einerseits eine sehr hohe Ansprechempfindlichkeit besitzt, jedoch dabei gleichzeitig unempfindlich ist gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Temperaturschwankungen oder gegenüber Veränderungen innerhalb der elektronischen auswertenden Schaltung. Mit anderen Worten läßt sich der jeweils herrschende Differenzdruck mit sehr hoher Genauigkeit feststellen und zwar unabhängig von irgendwelchen Einflüssen wie beispielsweise einer Frequenzänderung des die Fühlspulen speisenden Oszillators.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch noch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators im Bereich der Resonanzfrequenz der Meßspulen liegt

Wie später noch gezeigt werden soll, nimmt die Ansprechempfindlichkeit mit einer Erhöhung der Frequenz insgesamt zu, doch ist ein stabiler Bereich um die Resonanzfrequenz der Fühlspule vorhanden, in welchem sich die Ansprechempfindlichkeit bei Änderungen der Frequenz nicht ändert

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen und im Vergleich zum stand der Technik näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 eine Schnittansicht eines Wandlers, gemäß dem Stand der Technik,

F i g. 2A und 2B in Aufsicht bzw. im Schnitt längs der Linie IIB-IlB in Fig.2A die Konstruktionsmerkmale des hier vorgeschlagenen Wandlers,

F i g. 3 ein Schaltbild eines elektrischen Schaltkreises für die Vorrichtung,

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

F i g. 5 ein schematisches Schaltbild eines dem Schaltkreis gemäß F i g. 3 äquivalenten Schaltkreises,

F i g. 6 ein Ersatzschaltbild der verwendeten Fühlspule,

F i β. 7 ein Schaltbild eines Schaltkreises für den

Wandler,

Fig. 8A bis 8C graphische Darstellungen des Frequenzgangs der Admittanzen Y\ und YI der im Schaltkreis gemäß Fig.7 verwendeten Fühlspulen, wobei F i g. 8A die Änderungen der Werte von K₁ und Y₂, Fig. 8B die Änderungen des Werts von V₁- Y₂ und Fig.8C die Änderungen des Werts von d(Y_y- Y₂)IUf zeigt,

F i g. 9 eine Ansprechempfindlichkeit/Frequenz-Kennlinie des Schaltkreises gemäß F i g. 7 und

F i g. 10 eine schematische Darstellung der Geometrie der Fühlspule mit der Kennlinie gemäß F i g. 9.

Gemäß Fig.2A und 2B weist der 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, weiche 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 51 und 52 sind Gehäuseteile und mit 71 und 72 Zuleitungen bezeichnet.

Die Tragkörper 31 und 32 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 31 und 32 verspannt ist. Bei dieser Konstruktion ist der Innenraum zwischen den Tragkörpern 31 und 32 durch die Meßmembran 10 in zwei Kammern unterteilt. 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 Stützoder 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 bellen Seiten des Tragkörpers 32 miteinander verbunden. Der Abstand von der Fühlspule zur Mündung der Bohrung 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 s dem Dichtfluidum gefüllten Räume ist sehr klein, da sowohl die Meßmembran als auch die Dichtmembranen aus flachen Scheiben bestehen, so daß die Volumina der Kammern 11, 12, 23 und 25 äußerst klein gehalten werden können. Die Volumenänderung des Dichtflui- ι ο dums infolge von Temperaturänderungen wird nahezu gleichmäßig von der 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 z. B. Ferrit 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. Vorzugs- jo weise bestehen die Abstandstücke 45 und 46 aus einem magnetischen Material, dessen temperaturabhängige Eigenschaften, wie linearer Ausdehnungskoeffinzient, denen des magnetischen Werkstoffs, welcher die Kerne 43 und 44 bildet, entgegengesetzt sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als sich dabei die Änderungen 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 Dichtmeinbrari 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 arbeitet 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.

F i g. 3 ist ein Schaltbild eines die Fühlspulen 41 und 42 einschließenden elektrischen Schaltkreises, welcher mit 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 F i g. 3 enthält die Fühlspulen 41 und 42 gemäß F i g. 2, Dioden Di bis Dfc, Kondensatoren Ci bis C3, Widerstände R] und /?2, Verstärker A\ und A₂, einen Oszillator OSC zur Lieferung eines Wechselstromsignals zu den Fühlspulen 41 und 42, eine Bezugsspannungsquelle Er und eine Ausgangsklemme To. Die Dioden O3 bis Dt 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 C₂ und dem Widerstand R₂ ist zwischen die elektrischen Meßklemmen /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 O₂ über den Kondensator Ci und die Diode Di an die elektrische Meßklemme /der Meßbrücke angeschlossen ist. Eine Reihenschaltung aus der Diode D₂ und dem Kondensator G ist parallel zur Diode Di geschaltet, und der Widerstand R\ ist parallel zum Kondensator C\ geschaltet Die eine Eingangsklemme des Verstärkers A\ ist mit der Meßklemme guer Meßbrücke verbunden während seine andere Eingangsklemme an deren Meßklemme / angeschlossen ist Die eine Eingangsklemme des Verstärkers Ai ist mit der Verzweigung zwischen Kondensator Ci, Diode Dt 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 wird, entsprechen die Größen der in diesen Spulen fließenden Ströme den Spulenadmittanzen Yi bzw. Y₂. 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', 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 differentieiien Admittanzkomponente der beiden Fühlspulen 41 und 42

Die in den Spulen 411 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 dei Ausgang O₂ negativ ist Während dieser Halbperiode fließt der Strom U der Spule 41 über die Diode Ds, der Widerstand Ri (Kondensator C₂), die Diode Dz und der Kondensator C3, während der Strom I₂ der Spule 42 über die Diode D₄, den Widerstand R\ (Kondensator Ci) die Diode D₂ und den Kondensator Cb fließt Währenc dieser Halbperiode wird daher eine dem in dei Fühlspuie 41 fließenden Strom /1 entsprechende Spannung im Kondensator Ci und eine der Summe dei

in den Rihlspulen 41 und 42 flici3enden Ströme /ι und I₂ entsprechende Spannung im Kondensator C₁ gespeichert. Während der nächsten Halbperiode, während welcher der Os/Jllatorausgang O\ negativ und der Ausgang O₂ positiv ist, fließt der Strom l\ über den Kondensator Cj, die Diode D₁ und die Diode Dj, während der Strom I₂ über den Kondensator Cj, die Diode Du den Widerstand R₂ (Kondensator C2) und die Diode D_b fließt. In dieser Halbperiode wird daher eine dem Strom I₂ der Spule 42 entsprechende Spannung im Kondensator C₂ gespeichert. Während der gesamten Periode wird daher eine dem Unterschied zwischen den in den Spulen 41 und 42 fließenden Strömen /, und I₂ entsprechende Spannung im Kondensator C₂ gespeichert, während eine der Summe der Ströme A und I₂ entsprechende Spannung im Kondensator G gespeichert wird.

F i g. 5 veranschaulicht ein Ersatzschallbild des Schaltkreises gemäß F i g. 3, in welchem K₁ 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 Ki(K₂) aus der Induktivität L₀, dem Widerstand Ru und der Streukapazität Cu 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 Werkstoff der Spulenkörper usw. abhängen.

Im Ersatzschaltkreis von F i g. 5 gelten die folgenden Bedingunger:

/„

I (V₁ 4
Γ V₁

Π V₁ ),\

V = die Spannung des Wcchselstromsignals vom

Oszillator OSC I = den Strom des Wechselstromsignals vom

Oszillator OSCund
/0 = den Ausgangsstrom

bedeuten.

In Gleichung (4) ist der Ausgangsstrom /0 dem Unterschied zwischen den Admittanzen Ki und Y2 bzw. dem Verhältnis Vi - Y₂/ Y\ + K₂ proportional, vorausgesetzt daß die Spannung V oder die Stromstärke / des Oszillators OSC konstant gehalten wird. Im Schaltkreis gemäß F i g. 3 sind das Eingangssignal des Verstärkers Ai die Bezugsspannung Er und die im Kondensator G gespeicherte Spannung er, welche der Summe der Ströme /1 und k 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 I₀ entspricht daher der Änderung der Admittanzen Y\ und Yi.

Im folgenden sei angenommen, daß der Ausgangsstrom /0 Null beträgt (Nullpunkt) und die Admittanzen Ki und Y₂ gleich sind (d. h. Yo), wenn sich die Meßmembran 10 in einem Gleichgewichtszustand befindet. Wenn dann Adnittanzänderungen Δ Y\ und Δ Y₂ infolge von Störungen dieses Zustands auftreten und sich die Admittanz des einen Stromkreises von Y\ auf K() + 4Ki und diejenige des anderen Stromkreises von K2 auf Υα + Δ Y₂ ändert, lassen sich Gleichungen (1) und (4) wie folgt umschreiben:

Γ<2 V₁₁ 4 I V₁ 4 I V:I

/„ - 1 ( ι ν,

I Y₂)

Durch Weglassuny von V" in uieichung (5) und (6) ergibt sich /oals

/(I)₁-I V₂)
" " 2V₁₁ f I), + I V₂ ' '

Bei einer Auslenkung der Meßmembran 10 erfolgen gemäß Gleichung (7) die Admittanzänderungen Δ Y\ und ZlK₂ differentiell und gleichartig. Im Fall von Δ Ki =-Δ Y₂ = Δ Y läßt sich Gleichung (7) daher wie folgt umschreiben:

I V

V₁,

Dies zeigt, daß der Ausgangsstrom I₀ genau den Admittanzänderungen der Fühlspulen 41 und 42, d. h. der Auslenkung der Meßmembran 10 entspricht. Da das Ausgangssignal dem Admittanzunterschied entspricht, läßt sich die Linearität verbessern.

Gemäß Gleichung (7) ändern sich die Admittanzen Δ Ki und Δ Y₂ 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 Δ Kn und Δ Y₂\ entsprechen und ausreichend kleiner sind als die Admittanzänderung Δ Υ entsprechend der Auslenkung der Meßmembran. Wenn dann gilt, ,4 Ki 1 = m/1 K und Δ Y₂\ = n Δ K(mit m, n< 1), wird der Ausgangsstrom für die Nullpunktsverschiebung anhand von Gleichung (7) als

/(Hl IV-H I >')

2 I_n 4- in I V 4 η IV

erhalten.

Da2 K₀S>m4 K, DK, π4 Kgilt

Uvr. =

I V " "2Y_n

η I V

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

Relativer Fehler =

I V - π "2V_n

V_n

I V

(10)

Gleichung (10) zeigt, daß der relative Fehler infolge von Temperaturänderung auf Null reduziert werden kann, indem die Werte der Admittanzänderungen Δ Vn und/l V₂i einander gleich gemacht werden (d. h. m = nin Gleichung (10)), selbst wenn diese Admittanzänderungen eine beträchtliche Größe besitzen.

F i g. 7 veranschaulicht einen 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 OSCwird durch einen Rückkopplungs-Oszillator mit einem Transistor Tr und einem Transformator Γ gebildet, und er schwingt auf der Resonanzfrequenz eines Abstimmkreises mit einer Ausgangsspule n_O\ und einem Kondensator C₅, während die Schwingungsamplitude von der in einem Kondensator G 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.

F i g. 8A veranschaulicht den Frequenzgang bzw. die Frequenzabhängigkeit der Admitlanzen der durch den Oszillator OSCangesteuerten Fühlspulen 41 i:nd 42. In Fig.8A bedeutet K₀ 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 /ö erzielt wird. Die Symbole Vi und V₂ geben die Admittanzen der Fühlspulen 41 und 42 für den Fall an, daß die Meßmembran 10 ausgelenkt ist. Die Kennlinien der beiden Admittanzen Vi und V₂ weichen dabei in den mit den Pfeilen /ei bzw. ki bezeichneten Richtungen geringfügig von der Kennlinie V₀ ab. Infolgedessen weichen auch ihre Resonanzfrequenzen nach f\ bzw. Z₂ etwas von /Ό ab.

F i g. 8B zeigt den Frequenzgang der Differenzadmittanz (Vi-V₂) bei ausgelenkter Meßmembran 10, während F i g. 8C einen Frequenzgang zeigt, wie er durch Differenzieren der Differenzadmittanz (Vi — V₂) gegenüber der Frequenz /"erhalten wird.

Wie aus den Fig. 8B und 8C hervorgeht, wird die Differenzadmittanz (Vi- V₂) der Fühlspulen 41 und 42 bei Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz /"oder Spulen 41 und 42, insbesondere bei h und k am größten, und die differenzierte Admittanz d( V₁ — V₂)/d/schneidet die Frequenzachse bei Frequenzen /3 und /4, bei denen d( Vi — V₂) den Wert Null annimmt.

Eine Erhöhung des Werts ( Vi- V₂) zeigt, daß sich — wie in Gleichung (4) veranschaulicht — der Ausgangsstrom k erhöht und sich die Ansprechempfindlichkeit ebenfalls vergrößert. Der bei Null oder nahe bei Null liegende Wert von d(V|—V^/d/" 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 F i g. 9 hervorgeht, nimmt die Ansprechempfindlichkeit mit einer Erhöhung der Frequenz insgesamt zu, doch ist ein stabiler Bereich um die Resonanzfrequenz /ö 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 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 Nulllpunkt und der Meßbereich 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.

Ilici/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzdruckwandler mit zwei nebeneinander angeordneten Tragkörpern, einer zwischen den Tragkörpern gehaltenen elektrisch leitenden und nicht magnetischen Meßmembran, wobei jeder Tragkörper eine Ausnehmung aufweist, die mit der Meßmembran eine Meßkammer seitlich von der Meßmembran bildet, in der Meßspulen angeordnet sind, die eine Verschiebung bzw. Auslenkung der Meßmembran nach Maßgabe des Wirbelstrominduktionsprinzips erfassen können, mit einer Oszillatorschaltung, weiche die Meßspulen mit Wechselspannungssignalen versorgt, und einer Meßschaltung, welche die Differenz zwischen den in den Meßspulen fließenden Strömen bildet bzw. als Ausgangssignal erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (41, 42) in Kerne (43,44) aus magnetischem Material eingebettet sind, daß aus einem magnetischen Werkstoff bestehende Abstandsstücke (45, 46) an Stellen angeordnet sind, durch welche die Magnetflüsse, die durch die in den Meßspulen (41, 42) fließenden Ströme erzeugt werden, verlaufen, daß der magnetische Werkstoff der Abstandsstücke (45, 46) und der der Kerne (43, 44) der Meßspulen (41, 42) entgegengesetzte temperaturabhängige Eigenschaften besitzen, daß eine Regelschaltung (Ci, E_n A₂) zur Konstantregelung der Summe der in den Meßspulen (41, 42) fließenden Ströme vorgesehen ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators im Bereich der Resonanzfrequenz der Meßspulen liegt.