DE2644330B2

DE2644330B2 - Meßumformer, insbesondere fluidischer Meßumformer

Info

Publication number: DE2644330B2
Application number: DE19762644330
Authority: DE
Inventors: Lothar 6082 Moerfelden Kemmler
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1976-10-01
Filing date: 1976-10-01
Publication date: 1978-07-20
Also published as: DE2644330A1; DE2644330C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer zum Umwandeln eines Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, insbesondere einen fluidischen Meßumformer zum Umwandeln eines Eingangssignals in einen analogen fluidischen Ausgangsdruck, mit einem U-förmigen Bauteil, dessen Schenkel durch eine im wesentlichen starre, rechteckige Grundplatte einerseits sowie durch eine im wesentlichen starre, rechteckige, zu der Grundplatte parallele Gegenplatte andererseits und dessen Steg durch ein die Grund- und die Gegenplatte an einer Stirnkante verbindendes, einer Relativverschwenkung der beiden Platten um eine parallel zu ihren Stirnkanten liegende Achse einen federnden Widerstand entgegensetzendes Federglied gebildet sind; einer das Eingangssignal aufnehmenden und in Abhängigkeit hiervon die beiden Platten entgegen der Kraft des Federgliedes gegeneinander verschwenkenden Verstelleinrichtung, insbesondere einer mit einer Auslaßdüse zusammenwirkenden, mit einer der beiden Platten verbundenen Prallplatte; und einer die Relativverschwenkung der Grund- und Gegenplatte in das Ausgangssignal umformenden, mit wenigstens einer der beiden Platten verbundenen Umsetzeinrichtung, insbesondere einem zwischen den beiden Platten liegenden, mit der Auslaßdüse zusammenwirkenden Nachführbalg.

In der DE-PS 13 03 240 sowie im Typenblatt T 7575, Ausgabe Dezember 1975, der Firma SAMSON AG sind fluidische Meßumformer dieser Art beschrieben, bei denen die die Relativverschwenkung der Grund- und der Gegenplatte entgegen der Kraft des Federgliedes bewirkende Verstelleinrichtung eine mit einer Auslaßdüse zusammenwirkende Prallplatte und die die Relativverschwenkung der beiden Platten in das Ausgangssignal vornehmende Umsetzeinrichtung ein mit der Auslaßdüse zusammenwirkender Nachführbalg sind. Diese bekannten Meßumformer, die dazu dienen, beispielsweise Kraft-, Weg- oder Temperatur-Eingangssignale in einen analogen proportionalen fluidischen Ausgangsdruck umzuwandeln, arbeiten in der Weise, daß durch ein mit dem Eingangssignal gekoppeltes Tastglied die Relativstellung der Prallplatte gegenüber der Auslaßdüse verstellt wird, woraufhin durch entsprechende Änderung des Fließmitteldruckes, insbesondere Luftdruckes, im Nachführbalg, der durch das von dem Eingangssignal abhängige Tastglied auf die Prallplatte ausgeübten Kraft entgegenwirkend, der ursprüngliche Abstand zwischen der Prallplatte und der Auslaßdüse laufend wiederhergestellt wird. Für die Arbeitsweise dieses Systems ist es wesentlich, daß zwischen der Grund- und der Gegenplatte parallel zum Nachführbalg eine Meßfeder wirkt, deren Zugkraft der Ausdehnungskraft des Nachführbalges entgegengesetzt ist, so daß sich zwischen diesen Kräften ein Gleichgewicht einstellt. Bei den bisher bekannten Meßumformern, bei denen das die Grund- und die Gegenplatte miteinander verbindende stegartige Federteil üblicherweise aus zwei an die Stirnflächen der beiden Platten angefügten, durch ein Kreuzfedergelenk miteinander verbundenen Metall-

blechen besteht, hat es sich als notwendig herausgestellt, zusätzlich zu diesem Federglied parallel zum Nachführbalg eine separate Meßfeder vorzusehen, da die Biegefederungseigenschaften des aus den beiden Platten und dem Federglied allein bestehenden U-förmigen Bauteiles so Undefiniert sind, daß kein ioleranzfreies, hysteresearmes Arbeiten des Meßumformers gewährleistet ist. Dies beruht darauf, daß die Steifigkeit der Verbindung zwischen den Metallblechen des Federgliedes und den Platten natürlich davon abhängt, wie fest die entsprechenden Schrauben oder dergleichen in die Stirnflächen der beiden Platten eingedreht sind, so daß sich ein gewisses, zu Hystereseerscheinungen führendes Spiel niemals vollständig vermeiden läßt. Die Tatsache aber, daß eine weitere Meßfeder zusätzlich zu dem den Steg des U-förmigen Bauteiles bildenden Federglied vorgesehen sein muß, führt nicht nur zu einer Erhöhung der Herstellungskosten, sondern bewirkt auch einen unerwünscht großen Raumbedarf des Gerätes, wie er insbesondere angesichts der immer stärker zunehmenden Miniaturisierungstendenzen auf dem Reglergebiet höchst unerwünscht ist.

Die vorstehenden Probleme treten natürlich nicht nur dann auf, wenn in der vorstehend beschriebenen Weise das Eingangssignal mechanisch, nämlich über die bekannte Prallplatte, auf die Grund- oder die Gegenplatte des U-förmigen Bauteiles einwirkt, sondern auch dann, wenn das Eingangssignal beispielsweise in Form eines fluidischen Eingangsdruckes einen entsprechend dem vorstehend in seiner Wirkungsweise erläuterten Nachführbalg zwischen den beiden Platten angeordne ten Balg beaufschlagt, der dabei also die Verstelleinrichtung zum Verschwenken der Grund- und der Gegenplatte gegeneinander ist. In diesem Falle würde also die Umsetzeinrichtung den durch das den zwischen den Platten angeordneten Balg beaufschlagende Eingangssignal erzeugten Schwenkweg einer der Platten weiterverarbeiten, beispielsweise in der Form, daß mit einer der beiden Platten ein Differenztrafo oder eine anders aufgebaute elektrische oder elektronische, aber auch mechanischen Weganzeigevorrichtung verbunden ist. Auch in diesem allgemeinen Fall, für den der beispielsweise in der DE-PS 13 03 240 beschriebene fluidische Meßumformer nur ein Beispiel darstellt, besteht das Problem, daß der federnde Widerstand, den das Federglied einer Relativverschwenkung der Grund- und Gegenplatte entgegensetzt, bei dem bisher bekannten U-Bauteil aus den genannten Gründen allzu Undefiniert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem unter Verringerung des bisher erforderlichen baulichen Aufwandes ein spiel- und toleranzfreies, reproduzierbares und hysteresearmes Einwirken der relativen Schwenkbewegung der Grund- und Gegenplatte auf das Federglied gewährleistet ist, wobei keine zusätzliche, sich zwischen Grund- und Gegenplatte erstreckende, zu dem Federglied parallele Meßfeder erforderlich sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Grundplatte, die Gegenplatte und das Federglied aus einem einstückig aus einem federnden Blechstück gefertigten U-Profil bestehen, dessen die Grund- bzw. Gegenplatte bildende Schenkel durch rechtwinklig zur Schenkelfläche angewinkelte Randflansche versteift sind und in dessen Stegteil zur Erhöhung der Steg-Nachgiebigkeit eine in ihren Abmessungen entsprechend der gewünschten Steg-Nachgiebigkeit frei wählbare Materialaussparung vorgesehen ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Randflan-¹J sehe der Schenkel des U-Profils in Richtung auf den jeweils gegenüberliegenden Schenkel vorspringen, wobei es sich insbesondere empfiehlt, daß die Schenkel des U-Profils im Anschluß an das Stegteil einen nicht mit einem Randflansch versehenen Abschnitt aufweisen.

κι Die Länge der nicht mit einem Randflansch versehenen Abschnitte der Schenkel soll dabei höchstens gleich der Höhe der Randflansche, senkrecht zur Schenkelfläche gemessen, sein.

Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein,

r, daß die Materialaussparung des Stegteiles eine im wesentlichen mittig in dem Stegteil angeordnete öffnung ist, wobei die öffnung insbesondere kreisrund ausgebildet sein kann. Selbstverständlich kann die Materialaussparung im Stegteil auch auf andere Weise verwirklicht sein, beispielsweise dadurch, daß im Stegteil seitlich Ausnehmungen gebildet, beispielsweise angefräst, sind.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Merkmale werden die bei dem bekannten Meßumformer auftre- > tenden Spiel- und Toleranzprobleme in der Verbindung zwischen dem Federglied und den beiden einander gegenüberliegenden Platten vollständig vermieden. Die beiden Schenkel des erfindungsgemäß geschaffenen einstückigen U-Profils sind durch die Randflansche so

so versteift, daß sie vollständig starr wirken. Wegen der Starrheit der beiden Platten bzw. Schenkel ist gewährleistet, daß die federnde Schwenkbewegung der beiden Platten gegeneinander, unter Einwirkung des Nachführbalges, ausschließlich im Stegteil des U-Profils

3"< erfolgt, dessen Querschnitt im übrigen auf die beschriebene Weise leicht verändert und eingestellt werden kann, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Steg-Nachgiebigkeit, beispielsweise durch seitliche Ausfräsungen oder durch Anbringen entsprechender

4(i Bohrungen. Eine Meßfeder ist beim erfindungsgemäßen Meßumformer überflüssig, da die Federungseigenschaften des Federgliedes bzw. Stegteiles durch den Fortfall jedweder Verbindungselemente zwischen der Grundbzw. Gegenplatte und dem Federglied exakt definiert sind und darüber hinaus durch entsprechende Querschnittsänderung (Materialaussparung) des Stegteiles nach Wunsch variiert werden können.

Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung nicht nur darauf, den eingangs beschriebenen, in der DE-PS

w 13 03 240 oder auch im Typenblatt T 7575, Ausgabe Dezember 1975, der Firma SAMSON AG erläuterten fluidischen Meßumformer in der vorstehend angegebenen Weise zu verbessern, vielmehr läßt sich das erfindungsgemäße U-Profil immer dann mit Vorteil

Vi einsetzen, wenn es gilt, einer durch ein wie auch immer geartetes, vorzugsweise fluidisches Eingangssignal bewirkten Verschwenkbewegung der Grund- und Gegenplatte des bekannten U-förrnigen Bauteiles in der oben erläuterten Weise einen definierten federnden Widerstand entgegenzusetzen, ohne daß hierzu eine zusätzliche Meßfeder zwischen den beiden Platten erforderlich wäre.

Weil^re Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschrei-

b5 gung wird ein Ausführungsbeispiel anhand der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Temperatur-Meßumformer nach dem Stand der Technik, im Schnitt durch die Längsmittellinie

der zueinander parallelen Grund- und Gegenplatten,

Fig.2 in ähnlicher Darstellung wie in Fig. 1 einen Teil des dort gezeigten Meßumformers, wobei aber die Merkmale der Erfindung verwirklicht sind und

Fig.3 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles III des in Fi g. 2 wiedergegebenen Teiles des erfindungsgemäßen Meßumformers, in stark vergrößerter Darstellung.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, weist der in F i g. 1 gezeigte Meßumformer, bei dem es sich um einen Temperatur-Meßumformer handelt, wie er im Typenblatt T 7575 der Firma SAMSON AG, Ausgabe Dezember 1975, beschrieben ist — einen ähnlichen Aufbau weist ein Kraft/Druck-Meßformer auf, wie er in der DE-PS 13 03 240 beschrieben ist —, eine im wesentlichen starre Grundplatte 10 aus einem steifen Metallblech oder Metallprofil oder dergleichen auf, der in Parallelanordnung eine Gegenplatte 12 gegenüberliegt, welche mit der Grundplatte 10 unter Erzeugung eines U-förmigen Bauteiles durch ein den Steg des U bildendes Federglied 14 verbunden ist. Das Federglied 14 besteht bei dem in Fig. 1 gezeigten Meßumformer nach dem Stand der Technik aus zwei federnden Blechen 16, 18, die durch ein Kreuzfedergelenk 20 bekannter Art miteinander verbunden sind. Die beiden Platten 10, 12 sind mit den Blechen 16, 18 durch nicht gezeigte, von (in Fig. 1 gesehen) rechts in die Stirnflächen der Platten 10, 12 eingreifende Schrauben verbunden.

Zwischen der Grundplatte 10 und der Gegcnplatte 12 erstreckt sich ein mit beiden Platten fest verbundener, über einen Eingang Emit einem Fließmittel, insbesondere mit Druckluft, beaufschlagbarer Nachführbalg 22. Weiterhin sind die beiden Platten 10, 12 durch eine Meßfeder 24 miteinander verbunden. In der Grundplatte 10 sitzt ferner eine Auslaßdüse 26, der gegenüber eine Prallplatte 28 angeordnet ist. Der Auslaßdüse 26 wird über eine Vordrossel 30 Zuluft p_z zugeführt, die über einen Verstärker 32 auch den am Eingang E des Nachführbalges 22 anliegenden Druck liefert. An der Prallplatte 28 greift ein im ganzen mit 34 bezeichneter Temperaturfühler an, der in einem äußeren Rohr 36 einen Invarstab 38 aufweist, dessen zur Einstellung des Meßanfanges verstellbare Schraube 40 an der Prallplatte 28 anliegt.

Der insoweit bekannte Temperatur-Meßumformer arbeitet wie folgt: die Zuluft P-/ versorgt den pneumatischen Verstärker 32 und strömt über die Vordrossel 30 und die Auslaßdüse 26 gegen die Prallplatte 28, die durch Federvorspannung über die Einstellschraube 40 mit dem Invarstab 38 gekuppelt ist. Steigt die Temperatur des Meßstoffes, die durch den Temperaturfühler 34 aufzunehmen ist, an, so drehtn sich das äußere Rohr 36 des Temperaturfühlers 34, wodurch die Prallplatte 28 sich der Auslaßdüse 26 nähert. Hierdurch steigen sowohl der Druck vor dem Verstärker 32 als auch der dem Geräteausgang und dem Nachführbalg 22 zugeführte Druck Pa an. Dieser Druckanstieg führt dazu, daß der durch die Meßfeder 24 gefesselte Nachführbalg 22 ausgedehnt wird, wodurch die an der Grundplatte 10 befestigte Auslaßdüse 26 so lange verstellt wird, bis deren Abstand zur Drallplatte 28 wieder den Anfangswert erreicht hat. Fällt hingegen die Temperatur ab, so wird das äußere Rohr 36 des Temperaturfühlers 34 kürzer, wodurch sich die Prallplatte 28 von der Auslaßdüsc 40 entfernt. Daraufhin sinkt der Ausgangsdruck Ρ_Λ, so lange ab, bis das Nachlaufwcrk der Wegänderung gefolgt ist, d. h. also, bis das pneumatische Ausgangssignal Pa den richtigen, temperaturproportionalen Wert annimmt.

Für die Erläuterung der Erfindung ist es nun vor Bedeutung, daß die Art und Weise, in der die durch da Kreuzfedergelenk 20 miteinander verbundenen Metall bleche 16, 18 die beiden Platten 10, 12 miteinande verbinden, keine reproduzierbare Biegefederkonstants zwischen den Platten 10, 12 erzeugen kann, wie sie fü ein einwandfreies Funktionieren des Meßumformer; erforderlich ist. Aus diesem Grunde ist bei den

ίο gezeigten Meßumformer die Meßfeder 24 vorgesehen deren Federkonstante die Ansprachecharakteristik de: Systems maßgeblich beeinflußt. Wird die Feder 2 weggelassen, wie bereits versucht wurde, so sind die Biege-Federungseigenschaften des Federgliedes 1' vollständig Undefiniert, so daß keine reproduzierbare Wirkungsweise des Meßumformers gewährleistet ist wobei die Undefinierte Verbindung zwischen der Metallblechen 16,18 und den Platten 10,12 insbesonde re zu störenden Hystereseerscheinungen führt.

2(i Abweichend von dem in F i g. 1 gezeigten, bekannter Meßumformer sind bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigter Ausführungsbeispiel des Meßumformers — alle für die Beschreibung dor erfindungswesentlichen Merkmale nicht maßgebenden Einzelheiten weggelassen — di(

2^r> beiden Platten 10, 12 ebenso wie das Federglied 1' einstückig aus einem entsprechend gebogenen federn den Blechstück hergestellt, so daß sich im Querschnit das in Fig.2 gezeigte einstückige U-Profil, im ganzer mit 42 bezeichnet, ergibt. Wie Fig.2 und Fig.;

jo erkennen lassen, erstrecken sich von den beiden Platter 10,12 aus in Richtung auf die jeweils gegenüberliegendf Platte um 90° abgewinkelte Randflansche 44,46,48,50 welche die Schenkel des U-Profiis 42 so versteifen, da! tatsächlich starre Platten 10, 12 gebildet sind. Dai Federglied 14 ist durch den Steg des U-Profils gebildet wobei in dem Federglied bzw. Stegteil 14 eint kreisrunde Öffnung 52 vorgesehen ist. Der Durchmesse der Öffnung 52 wird bei der Herstellung des U-Profils 4'. so gewählt, daß das Stegteil 14 im Verhältnis zu der Platten 10, 12 die gewünschte Nachgiebigkeit aufweist wobei statt einer mittig angeordneten kreisrunder öffnung 52 natürlich beispielsweise auch seitlich« Randausnehmungen im Stegteil 14 vorgesehen seir können. F i g. 2 läßt erkennen, daß nahe dem Stegteil 1 an den Platten 10, 12 von den Randflanschen 44, 46, 48 50 freie Abschnitte 54, 56 vorgesehen sind, um eil ungestörtes Einfcdern der Platten 10, 12 relativ zun Stegteil 14 zu gewährleisten.

Dadurch, daß die Endplatten 10, 12 ebenso wie da

5« Federglied bzw. Stegteil 14 bei dem erfindungsgemäßer Meßumformer einstückig aus federndem Material beispielsweise aus einem Federstahlblech, hergestell sind, entfallen die oben in Verbindung mit den herkömmlichen Meßumformer 14 beschriebenen Pro bleme, die darauf zurückzuführen sind, daß dii Metallblcche 16, 18 bei dem bekannten Meßumforme nicht definiert mit den starren Platten 10,12 verbunder werden können. Die Randflansche 44, 46, 48, 5( gewährleisten, daß die Platten 10, 12 im Betrieb de

wi Meßumformers starr bleiben, so daß nur ein definierte Durchbiegen des Stegtcilcs 14 erfolgt, dessen Nachgie bigkeit durch entsprechende Bemessung der Material aussparung, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel alsc durch entsprechenden Durchmesser der kreisrunder

b^r> öffnung 52 auf einfachste Weise nach den an der Meßumformer gestellten Anforderungen eingcstcll werden kann. Hierdurch ergibt sich ein zuverlässiges hystcrcscarmcs Arbeiten des Meßumformers, ohne dal

die in dem Meßumformer nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 1 beschrieben ist, vorhandene Meßfeder 24 noch erforderlich wäre. Vielmehr bildet das Federglied bzw. Stegteil 14 bei dem Meßumformer nach der Erfindung, wie er in F i g. 2 und 3 wiedergegeben ist, gleichzeitig die Meßfeder für den Nachführbalg 22.

Der erfindungsgemäße Meßumformer könnte natürlich, abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, auch so aufgebaut sein, daß ein fluidischer Eingangsdruck auf den Balg 22, der in diesem Fall also nicht als Nachführbalg dienen würde, einwirkt.

In Abhängigkeit von dem auf den Balg 22 einwirkende! fluidischen Druck-Eingangssignal würde sich dann eim Relativverschwenkung der beiden starren Platten 10,1: mit den vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäl erzielten Vorteilen ergeben, die dann in ein Ausgangs signal, beispielsweise in einen mechanischen Weg umgesetzt werden könnte. Hierzu könnte beispielsweisi eine der beiden Platten 10, 12 mit einer entsprechendei mechanischen oder elektrischen Anzeigeeinrichtung ii Verbindung stehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßumformer zum Umwandeln eines Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, insbesondere fluidischer Meßumformer zum Umwandeln ^r> eines Eingangssignals in einen analogen fluidischen Ausgangsdruck, mit einem U-förmigen Bauteil, dessen Schenkel durch eine im wesentlichen starre, rechteckige Grundplatte einerseits sowie durch eine im wesentlichen starre, rechteckige, zu der Grundplatte parallele Gegenplatte andererseits und dessen Steg durch ein die Grund- und die Gegenplatte an einer Stirnkante verbindendes, einer Relativverschwenkung der beiden Platten um eine parallel zu ihren Stirnkanten liegende Achse einen federnden \^r> Widerstand entgegensetzendes Federglied gebildet sind; einer das Eingangssignal aufnehmenden und in Abhängigkeit hiervon die beiden Platten entgegen der Kraft des Federgliedes gegeneinander verschwenkenden Verstelleinrichtung, insbesondere einer mit einer Auslaßdüse zusammenwirkenden, mit einer der beiden Platten verbundenen Prallplatte; und einer die Relativverschwenkung der Grund- und Gegenplatte in das Ausgangssignal umformenden, mit wenigstens einer der beiden Platten 2"> verbundenen Umsetzeinrichtung, insbesondere einem zwischen den beiden Platten liegenden, mit der Auslaßdüse zusammenwirkenden Nachführbalg, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (10), die Gegenplatte (12) und das Federglied (14) aus einem einstückig aus einem federnden Blechstück gefertigten U-Profil (42) bestehen, dessen die Grund- bzw. Gegenplatte bildende Schenkel (10, 12) durch rechtwinklig zur Schenkelfläche abgewinkeltes Randflansche (44, 46, 48, 50) f> versteift sind und in dessen Stegteil zur Erhöhung der Steg-Nachgiebigkeit eine in ihren Abmessungen entsprechend der gewünschten Steg-Nachgiebigkeit frei wählbare Materialaussparung (52) vorgesehen ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randflansche (44,46,48,50) der Schenkel (10, 12) des U-Profils (42) in Richtung auf den jeweils gegenüberliegenden Schenkel vorspringen.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (10, 12) des U-Profits (42) im Anschluß an das Stegteil (14) einen nicht mit einem Randflansch (44, 46, 48, 50) versehenen Abschnitt (54,56) aufweisen.

4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des nicht mit einem Randflansch (44, 46, 48, 50) versehenen Abschnittes (54, 56) der Schenkel (10, 12) höchstens gleich der Höhe der Randflansche, senkrecht zur Schenkelfläche gemessen, ist.

5. Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialaussparung des Stegteiles (14) eine im wesentlichen mittig in dem Stegteil angeordnete öffnung (52) ist.

6. Meßumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (52) kreisrund ausgebildet ist.

7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialaussparung durch seitliche Ausnehmungen des Stegteiles (14) gebildet ist.