DE2825489C2

DE2825489C2 - Verfahren zur Herstellung einer Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE2825489C2
Application number: DE19782825489
Authority: DE
Inventors: Makoto Dipl.-Ing. Tokio/Tokyo Nishimura; Takeshi Dipl.-Ing. Yasuhara; Tadanori Dipl.-Ing. Tachikawa Tokio/Tokyo Yuhara
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-06-09
Filing date: 1978-06-08
Publication date: 1987-04-30
Also published as: DE2825489A1; JPS542784A; JPS5619891B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Spannvorrichtung für zwei Gehäuseteile, zwischen deren ringförmigen Spannflächen ein flexibles, scheibenförmiges 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.

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. Über 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. Die Meßmembran 8 ist an ihrem Umfang zwischen den beiden Gehäuseteilen 2 und 3 eingespannt, wozu diese an ihrem Umfang miteinander verschweißt sind.

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.

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 lassen, um ein Auseinandertreiben der beiden Gehäuseteile 2 und 3 bei einer Druckbeanspruchung der Meßmembran 8 zu vermeiden.

Zu diesem Zwecke ist - wie Fig. 2 zeigt - bei einem bekannten Differenzdruck-Meßumformer eine zusätzliche Anordnung vorgesehen, um eine Kraft in Richtung der Pfeile K zu erzielen. In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 übereinstimmende Einzelteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

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 × 10^-6 aufweist, der sich wesentlich von dem der Druckplatten 15 und 16 und der Spannbolzen 17 aus gewöhnlichem Stahl mit 10 bis 11 × 10^-6 unterscheidet; dadurch ergeben sich unerwünschte Auswirkungen auf die Meßmembran 8.

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 Meßelement sichergestellt sein soll.

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.

Es ist zwar bereits aus der CH-PS 5 33 301 bekannt, im Rahmen der Herstellung eines eingespannten, flexiblen Meßelementes eine Wärmebehandlung durchzuführen, jedoch wird hierbei nach dem Festlegen des Meßelementes dieses selbst einer ringförmigen Erwärmung unterworfen, um dem membranartigen Meßelement eine bestimmte Vorspannung zu verleihen.

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.

Als durch Ausscheidung härtende Metallegierung kommt beispielsweise das 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 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. Auch der Werkstoff, bestehend aus 40% Kobalt, 15% Nickel, 20% Chrom, 7% Molybdän, 2% Mangan, 0,04% Beryllium, 0,15% Kohlenstoff und Eisen, der Werkstoff, bestehend aus 42% Nickel, 5,3% Chrom, 0,5% Mangan, 0,3% Silizium, 2,4% Titan, 0,4% Aluminium, 0,5% Kupfer, 0,02% Kohlenstoff und Eisen, sowie das Material, bestehend aus 40% Kobalt, 15% Nickel, 20% Chrom, 7% Molybdän, 1,5% Mangan, 0,45% Silizium, 0,05% Beryllium, 0,15% Kupfer und Eisen, sind als durch Ausscheidung härtende Metallegierungen geeignet. Solche Matallegierungen scheiden, wenn sie für etwa eine Stunde einer Temperatur von ca. 500 bis 600°C ausgesetzt sind, intermetallische Verbindungen im Kristallsystem aus, wodurch sich die Legierung in ihrem Volumen zusammenzieht.

Ausführungsbeispiele von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spannvorrichtungen sind in den Fig. 3 und 4 (Schnitt entlang der Linie IV-IV in der Fig. 3) sowie 6 dargestellt; in Fig. 5 sind zwei Diagramme wiedergegeben.

Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel 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.
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 20°C ab. Trotz unterschiedlicher Änderungen der Höhe der Spannvorrichtung mit veränderter Temperatur während des Aushärtens ergibt sich ein Endwert l&sub2; der Höhe nach dem Aushärten, der kleiner ist als der Ausgangswert l&sub1; vor dem Aushärten, was sich in einer Kontraktion Δ l auswirkt. Der Wert von Δ l macht etwa 0,1 bis 0,2% des Wertes l&sub1; aus.
Die Spannvorrichtung 23 erstreckt sich über beide äußere Umfangsflächen der Gehäuseteile 21 und 22 des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 3 und 4 und ist an diesen Gehäuseteilen durch Schweißen befestigt. Danach erfolgt eine Wärmebehandlung in einer Weise, wie es anhand der Fig. 5 dargestellt ist, so daß ein Aushärten der Spannvorrichtung 23 bewirkt wird, was zu einer Kontraktion um etwa 0,1 bis 0,2% 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:
°KQ°k = °KK°k ´ °KE°k ´ Kontraktion = °KA°k ´ °KE°k ´ @O:0,1¤bis¤0,2:100&udf54;@,(1)&udf53;zl10&udf54;
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.
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.
Die schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 zeigt ein Meßgerät zur Ermittlung eines Flüssigkeitsstandes mit Ausnutzung einer Auftriebskraft. Der Hauptteil 25 des dargestellten Meßgerätes enthält eine Federscheibe 26 zur Erfasssung 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 Fig. 5 erläutert ist, eine Druckkraft auf die Gehäuseteile verursacht.
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 Abtrennmembranen 33 und 34 und die Federscheibe 26 gebildet sind, ist eine inkompressible 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.
Infolge der Verbindung des Hauptteiles 25 des Meßgerätes 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.
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 Umfangsfläche 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.
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.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Spannvorrichtung für zwei Gehäuseteile, zwischen deren ringförmigen Spannflächen ein flexibles, scheibenförmiges Meßelement eingespannt ist und die an ihrem äußeren Umfang mit der Spannvorrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für die Spannvorrichtung (23) eine durch Ausscheidung härtende Metallegierung verwendet wird und daß die Spannvorrichtung (23) nach der Verbindung mit den Gehäuseteilen (21, 22) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

2. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellte Spannvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung von einem Rohrstück gebildet ist.

3. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellte Spannvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (23) C-förmig ausgebildet ist.

4. Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellte Spannvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung aus mehreren, über den Umfang der Gehäuseteile verteilten Spanngliedern besteht.