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Verfahren zur Herstellung einer Spannvorrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer
Spannvorrichtung für zwei Gehäuseteile, zwischen deren ringförmigen Spannflächen
ein flexibles, scheibenformiges Meßelement eingespannt ist und die an ihrem äußeren
Umfang mit der Spannvorrichtung verbunden sind. Bei dem flexiblen, scheibenförmigen
Meßelement kann es sich um eine metallische Meßmembran oder um eine metallische
Federscheibe handeln; beide dienen jeweils als bewegliche Platte zur Druckerfassung
durch ihre Durchbiegung.
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Bei einem in Fig. 1 gezeigten bekannten Druckmeßumformer mit einem
Differentialkondensator ist das flexible, scheibenförmige Meßelement von einer Meßmembran
gebildet. Der bekannte Meßumformer besitzt ein erstes und ein zweites Gehäuseteil
2 bzw. 3 sowie einen ersten und einen zweiten Isolierkörper 4 bzw. 5 und eine eingespannte,
flache Meßmembran 8. Die Isolierkörper,
die sphärische Ausnehmungen
6 und 7 aufweisen, sind von den Gehäuseteilen 2 und 3 umgeben. Die Meßmembran 8
definiert zwei Räume 9 und 10 zwischen den sphärischen Ausnehmungen 6 und 7. ueber
Öffnungen 11 und 12 wird ein erster und ein zweiter Druck bzw. ein Differenzdruck
den Räumen 9 und 10 zugeführt, wobei die Öffnungen 11 und 12 die beiden Gehäuseteile
2 und 3 sowie die beiden Isolierkörper 4 und 5 durchsetzen. Die Meßmembran 8 sowie
Metallfolien 13 und 14, die im Bereich der sphärischen Ausnehmungen 6 und 7 auf
den Isolierkörpern 4 und 5 aufgebracht sind, bilden elektrische Fühlerelemente,
im vorliegenden Fall die Elektroden eines Kondensators mit veränderbarer Kapazität.
Die Metallfolien 13 und 14 sind mit nicht dargestellten Leitungen verbunden, die
aus dem Druckmeßumformer herausgeführt sind.
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Die Meßmembran 8 ist an ihrem Umfang zwischen den beiden Gehäuseteilen
2 und 3 eingespannt, wozu diese an ihrem Umfang miteinander verschweißt sind.
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Der dargestellte bekannte Meßumformer ist einer Kraft ausgesetzt,
die seine beiden Gehäuseteile 2 und 3 im Bereich der Schweißzone W auseinandertreiben
will, wenn ein hoher Differenzdruck P auf die Meßmembran 8 einwirkt.
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Für einen Druckmeßumformer einer Ausführung nach Fig. 1 ist es daher
erforderlich, eine Kraft in Richtung der Pfeile K auf die Gehäuseteile 2 und 3 einwirken
zu lässen, um ein Auseinandertreiben der beiden Gehäuseteile 2 und 3 bei einer Druckbeanspruchung
der Meßmembran 8 zu vermeiden.
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Zu diesem Zwecke ist - wie Fig. 2 zeigt - bei einem bekannten Differenzdruck-Meßumformer
eine zusätzliche Anordnung vorgesehen, um eine Kraft in Richtung der
en
Pfeile K zu erzielen. In dem AusfUhrungsbeispiel /nach den Figuren 1 und 2 übereinstimmende
Einzelteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dem Körper des bekannten Meßumformers wird mittels einer ersten und
einer zweiten Druckplatte 15 bzw. 16 sowie Spannbolzen 17 eine erheblich größere
Kraft als die von dem zu messenden Druck auf die Meßmembran 8 ausgeübte zugeführt.
Die Druckplatten 15 und 16 sind mit Öffnungen 18 und 19 versehen, um dem Meßumformer
1 einen ersten und einen zweiten Druck bzw. einen Differenzdruck zuführen zu können.
Infolge der Verwendung der Druckplatten 15 und 16 und der Spannbolzen 17 hat der
Druckdifferenz-Meßumformer in der bekannten Ausführung nach Fig. 2 unvorteilhaft
große Abmessungen. Außerdem ändert sich die durch die Druckplatten 15 und 16 und
die Spannbolzen 17 erzeugte Kraft in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, weil
der Werkstoff für die Gehäuseteile 2 und 3 einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
von 17 bis 18 x 10 6 aufweist, der sich wesentlich von dem der Druckplatten 15 und
16 und der Spannbolzen 17 aus gewohnlichem Stahl mit 10 bis 11 x 10 6 unterscheidet;
dadurch ergeben sich unerwünschte Auswirkungen auf die Meßmembran 8.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
einer Spannvorrichtung vorzuschlagen, das eine einfache Konstruktion der Spannvorrichtung
ohne die oben angegebenen Nachteile zuläßt, wobei ein ausreichender Druck auf das
flexible, scheibenförmige MeB-element sichergestellt sein soll.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, daß als Werkstoff für die Spannvorrichtung eine
durch Ausscheidung
härtende Metallegierung verwendet wird und daß
die Spannvorrichtung nach der Verbindung mit den Gehäuseteilen einer Wärmebehandlung
unterzogen wird.
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Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spannvorrichtung
kann diese von einem Rohrstück gebildet sein oder auch eine C-förmige Gestalt aufweisen.
Auch ein Aufbau der Spannvorrichtung aus mehreren, über den Umfang der Gehäuseteile
verteilten Spanngliedern ist vorteilhaft.
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Als durch Ausscheidung härtende Metallegierung kommt beispielsweise
das unter der Bezeichnung '§Elinver" bekannte Material in Frage, das aus 36 % Nickel,
12 % Chrom, 1 bis 2% Mangan, 1 bis 3% Wolfram, 1 bis 2% , Silizium, 0,8 % Kohlenstoff
und aus Eisen besteht, wobei die Prozentangaben Gewichtsprozente bedeuten. Auch
der Werkstoff "Thermelast" ist geeignet, der aus 40 % Kobalt, 26 % Nickel, 12 %
Chrom, 4 % Molybdän, 4 % Wolfram, 1 % Titan, 1,4 % Mangan, 0,2 % Beryllium und Eisen
besteht.
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Auch der Werkstoff "Elgiloy", bestehend aus 40 % Kobalt, 15 % 96 Nickel,
20 % Chrom, 7 % Molybdän, 2 % Mangan, 0,04 % Beryllium, 0,15 % Kohlenstoff und Eisen,
der Werkstoff "Nickel Span C",bestehend aus 42 % Nickel, 5,3 % Chrom, 0-,5 % Mangan,
0,3 % Silizium, 2,4 % Titan, 0,4 % Aluminium, 0,05 5' Kupfer, 0.02 % Kohlenstoff
und Eisen,sowie das Material "KRN", bestehend aus 40 % Kobalt, 15 5' Nickel, 20
% Chrom, 7 % Molybdän, 1,5 5' Mangan, 0,45 % Silizium, 0,05 % Beryllium, 0,15 %
Kupfer und Eisen, sind als durch Ausscheidung härtende Metallegierungen geeignet.
Solche Metallegierungen scheiden, wenn sie für etwa eine Stunde einer Temperatur
von ca. 500 bis 6000 C ausgesetzt sind, intermetallische Verbindungen im Kristallsystem
aus, wodurch sich die Legierung in ihrem Volumen zusammenzieht.
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Ausführungsbeispiele von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Spannvorrichtungen sind in den Figuren 3 und 4 (Schnitt entlang der Linie IV- IVin
der Fig. 3) sowie 6 dargestellt; in Fig. 5 sind zwei Diagramme wiedergegeben.
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Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel zeigt
einen Differenzdruck-Meßumformer mit kapazitivem Abgriff. Mit dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 übereinstimmende Einzelteile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Der Differenzdruckmeßumformer 20 enthält ein erstes und ein zweites Gehäuseteil
21 und 22 sowie eine Meßmembran 8, die zwischen den Gehäuseteilen 21 und 22 eingespannt
ist; am äußeren Umfang ist die Meßmembran 8 an den Gehäuseteilen 21 und 22 durch
Schweißung befestigt. Eine C-förmige Spannvorrichtung 23 aus einer durch Ausscheidung
härtenden Metallegierung ist am äußeren Umfang beider Gehäuseteile 21 und 22 befestigt.
Nach Vervollständigung der Anordnung erfolgt das Aushärten.
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Fig. 5 zeigt, wie das Aushärten der durch Ausscheidung härtenden Metallegierung
vor sich--geht. Das Diagramm A zeigt die Veränderungen in der Höhe der Spannvorrichtung
in Abhängigkeit von der Temperatur, während das Diagramm B den Verlauf der Temperatur
zeigt, der die Spannvorrichtung aus der durch Ausscheidung härtenden Metallegierung
ausgesetzt ist. Wie in diesem Diagramm dargestellt ist, wird die Temperatur von
der normalen Umgebungstemperatur von 20° C auf etwa 500 bis 600° C angehoben, behält
diesen Wert für einige Zeit und fällt danach wieder auf die normale Umgebungstemperatur
von 200 C ab. Trotz unterschiedlicher Änderungen der Hohe der Spannvorrichtung mit
veränderter Temperatur während des Aushärtens ergibt sich ein Endwert 12 der Höhe
nach dem Aushärten, der kleiner ist als der Ausgangswert 11
vor
dem Aushärten, was sich in einer Kontraktion El auswirkt. Der Wert von #l macht
etwa 0,1 bis 0,2% des Wertes l1 aus.
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Die Spannvorrichtung 23 erstreckt sich über beide äußere Umfangsflächen
der Gehäuseteile 21 und 22 des Ausführungsbeispiels nach den Figuren 3 und 4 und
ist an diesen Gehäuseteilen durch Schweißen befestigt. Danach erfolgt eine Wärmebehandlung
in einer Weise, wie es anhand der Figur 5 dargestellt ist, so daß ein Aushärten
der Spannvorrichtung 23 bewirkt wird, was zu einer Kontraktion um etwa 0,1 bis 0,2
96 der Höhe der Spannvorrichtung nach ihrer Abkühlung auf normale Temperatur führt.
Infolge der Kontraktion der Spannvorrichtung sind die beiden Gehäuseteile 21 und
22 einer mechanischen Spannung in Richtung der Pfeile K unterworfen. Dies führt
zu einer Spannkraft Q auf die beiden Gehäuseteile 21 und 22, die sich durch folgende
Gleichung ausdrücken läßt: Q = K . E . Kontraktion = A . E . 0,1 bis 02 = A . (20
bis 40) kp (1) In dieser Gleichung bedeutet A den Querschnitt der Spannvorrichtung
23 in mm2 und E den Young-Modul der durch Ausscheidung härtenden Metallegierung.
Die obenerwähnten Metallegierungen haben Werte von E von annähernd 20 000 bis 21
000 Kp/mm2. Daher ist die Kraft Q nach Gleichung (1), die durch die Spannvorrichtung
23 auf die Gehäuseteile 21 und 22 wirkt, sehr groß und stabil.
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Die dargestellte Spannvorrichtung ist C-förmig mit einer Öffnung 24
ausgebildet; die Spannvorrichtung kann aber auch anders ausgestaltet sein. Beispielsweise
kann sie
rohrförmig ausgebildet sein sowie aus einer Mehrzahl von
Spanngliedern bestehen, die am Umfang jeweils die beiden Gehäuseteile miteinander
verbindend angeordnet sind und insgesamt eine Spannvorrichtung bilden.
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Die schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Figur 6
zeigt ein Meßgerät zur Ermittlung eines Flüssigkeitsstandes mit Ausnutzung einer
Auftriebskraft Der Hauptteil 25 des dargestellten Meßgerätes enthält eine Federscheibe
26 zur Erfassung der Kraft und ein erstes und ein zweites Gehäuseteil 27 und 28,
zwischen denen die Federscheibe 26 eingespannt ist; am Umfang sind die Gehäuseteile
27 und 28 miteinander verschweißt und mit einer Spannvorrichtung 29 verbunden, die
sich über den äußeren Umfang beider Gehäuseteile 27 und 28 erstreckt und durch Schweißen
an ihnen befestigt ist. Die Spannvorrichtung 29 ist wiederum aus einer durch Ausscheidung
härtenden Metallegierung hergestellt, so daß eine Wärmebehandlung zum Aushärten,
wie es in Figur 5 erläutert ist, eine Druckkraft auf die Gehäuseteile verursacht.
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Die Federscheibe 26 ist mit elektrischen Fühler-Elementen versehen,
beispielsweise beiderseits mit Dehnungsmeßstreifen 30, um ihre Durchbiegungen in
Abhängigkeit von einer auf eine Abstützplatte 32 ausgeübten Kraft zu erfassen. Die
Abstützplatte 32 ist in der Mitte der Federscheibe 26 angebracht. Um zu verhindern,
daß die Dehnungsmeßstreifen ihre Charakteristik in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit
der Umgebung ändern, ist das Meßgerät mit Abtrennmembranen 33 und 34 versehen, wodurch
zwei Seiten der Federscheibe 26 definiert werden; in Räume 35 und 36, die durch
die Abtrennmembranen 33 und 34 und die Federscheibe 26 gebildet sind, ist eine inkompressib-
le
Flüssigkeit, wie Silikonöl, gefüllt. Die Abstützplatte 32 ist mit weiteren Abstützplatten
37 und 38 auf den Abtrennmembranen 33 und 34 durch ein Verbindungsglied 39 verbunden,
so daß sich alle diese Teile wie eine Einheit bewegen.
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Infolge der Verbindung des Hauptteil es 25 des Meßgerät es mit einem
Auftriebskörper 40 über die Abstützplatte 38 werden Änderungen der Auftriebskraft
des Auftriebskörpers 40 infolge Änderungen des Flüssigkeitsstandes auf die Federscheibe
26 übertragen und als elektrische Variable von den Dehnungsmeßstreifen 30 erfaßt.
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Wie oben bereits beschrieben, ist die Spannvorrichtung aus durch Ausscheidung
härtender Metallegierung am ersten und zweiten Gehäuseteil befestigt und erstreckt
sich somit über die äußere Umfangsflächen dieser beiden Gehäuseteile, um eine Durchbiegung
der Federscheibe ohne zu Fehlern Anlaß gebenden Störungen zu erreichen. Die Spannvorrichtung
ist an den Gehäuseteilen verschweißt, danach zum Aushärten einer Wärmebehandlung
unterworfen, so daß sie sich zusammenzieht und dabei eine große Kraft auf die beiden
Gehäuseteile und damit auch auf die flexible Meßmembran an ihrem Rand erzeugt.
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Auf diese Weise ist eine im Vergleich zu bekannten Meßumformern höhere
Meßgenauigkeit bei kleineren Abmessungen erreicht, was den Umgang mit dem erfindungsgemäßen
Gerät erleichtert und die Herstellungskosten senkt.
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6 Figuren 4 Ansprüche