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Druckmeß gerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät mit zwei in ihrem
Boden mit jeweils einer Durchgangs Öffnung versehenen, zylindrischen Gehäuseteilen
und mit zwei von den Gehäuseteilen aufgenommenen zylindrischen Isolatoren, die an
ihrer jeweils vom Boden der Gehäuseteile abgewandten Oberfläche mit einer Metallschicht
zur Bildung eines Kondensators versehen sind, der durch eine zwischen den Gehäuseteilen
eingespannte metallene eßmembran vervollständigt ist.
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Bei dem Druckmeßgerät kann es sich um ein Gerät zur Messung eines
Differenzdruckes zwischen zwei veränderlichen Drücken oder um ein Gerät zur Erfassung
eines veränderlichen Druckes in Bezug auf einen Referenzdruck handeln.
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Bei der erstellung eines derartigen Druckmeßgerätes ist es erforderlich,
dieses einer Erwärmung auszusetzen; beispielsweise ergibt sich diese Notwendigkeit
dann, wenn die Isolatoren beispielsweise durch Brenner mit den Gehäuseteilen verbunden
werden. Durch die Wärmebehandlung
entstehen Deformationen, die
rauch die metallene Meßmembran betreffen und dazu führen, daß ein dem zu messenden
Druck oder der zu messenden Druckdifferenz proportionales Signal nicht erzeugt werden
kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßgerät
vorzuschlagen, dessen Meßmembran mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand
unter eine gleichbleibende und gleichförmige Vorspannung gesetzt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe tragen bei einem Druckmeßgerät der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß die Isolatoren auf ihrer jeweils dem Boden der
Gehäuseteil zugewandten Seite einen Stutzen und sind mit diesem Stutzen innerhalb
der Durchgangsöffnung an den jeweiligen Gehäuseteil befestigt; die Isolatoren weisen
einen im Vergleich aun Innendurchmesser der zylindrischen Gehäuseteile kleineren
Außendurchmesser auf. Dabei sind die Durchmesser so gewählt, daß zwischen den Isolatoren
und den zylindrischen Gehäuseteilen ringförmige Spalten entstehen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Druckmeßgerätes ist die metallene Meßmembran in an sich bekannter Weise durch Schweißung
mit den Gehäuseteilen verbunden und besteht aus einer durch Ausscheidung härtenden
und in verschweißtem Zustand durch ärmebehandlung des Druckmeßgerätes ausgehärteten
Metalllegierung Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Druck-bzw. Druckdifferenzmeßgeräten
mit Erfassung einer sich andernden Kapazität die metallene Meßmembran normalerweise
am äußeren Umfang mit den Gehäuseteilen des Gerätes durch Schweißen verbunden ist.
Durch das Schweißen
ergeben sich unerwünschte Deformationen der
Meßmembran infolge der relativ hohen Schweißtemperatur, so daß das Meßgerät kein
dem zu messenden Differenzdruck proportionales Signal abgeben kann.
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Verwendet man als Werkstoff für die metallene Ießmembran eine durch
Ausscheidung härtende iletallegierung mit einem großen Elastizitätsmodul und der
Fähigkeit, sich bei einer geeigneten Wärmebehandlung zusammenziehen zu können, und
unterwirft das Druckmeßgerät nach dem Verschweißen der Heßmembran der Wärmebehandlung,
dann zieht sich die Meßmembran zusammen, wodurch Kontraktionskräfte entstehen. Diese
Kontraktionskräfte beseitigen die durch das Schweißen hervorgerufenen Deformationen
der Meßmembran. Als durch Ausscheidung härtende Metallegierungen kommen beispielsweise
unter den Bezeichnungen "Elinver", hermelast" oder "Nickel Span C" im Handel befindliche
Legierungen in Frage.
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Die Wärmebehandlung des Druckmeßgerätes zum Zwecke der Härtung der
durch Ausscheidung härtenden Metallegierung hat aber den Nachteil, daß sich durch
die Temperatureinwirkung unerwünschte Deformationen der Gehäuseteile und der Isolatoren
ergeben, die innerhalb der Gehäuseteile untergebracht sind, weil diese Deformationen
eine unerwünschte mechanische Beanspruchung der metallenen Meßmembran verursachen.
Dies soll anhand der Figuren 1 bis 3 -nähererläutert werden.
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Das in den Figuren 1 und 3 dargestellte bekannte Druck-bzw. Druckdifferenzmeßgerät
enthält ein erstes und ein zweites Gehäuseteil 2 bzw. 3; beide Gehäuseteile sind
mit einem Boden versehen. Zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 ist eine Meßmembran
4 an seinem Umfang eingespannt und durch Schweißen befestigt. Ein erster und ein
zweiter Isolator 5 bzw. 6 sind innerhalb der beiden Gehäuseteile
2
und 3 untergebracht. Die Isolatoren 5 und 6 haben leweils sphärische Ausnehmungen
7 und 8, die der Meßmembran 4 zugewandt liegen. Metallfolien 9 und 10 sind im Bereich
der sphärischen Ausnehmungen 7 und 8 an den Isolatoren 5 und 6 angebracht und bilden
Metallschichten. Die Meßmembran 4 und die Metallfolien 9 und 10 dienen als Elektroden
eines veränderbaren Kondensators, Räume 11 und 12 sind durch die Meßmembran 4 und
die sphärischen Ausnehmungen 7 und 8 der Isolatoren 5 und 6 gebildet. Durchgangsöffnungen
13 und 14 sind vorgesehen, um die zu erfassenden Drücke den Räumen 11 und 12 zuführen
zu können. Die Meßmembran 4 besteht aus einer durch Ausscheidung härtenden Metallegierung,
beispielsweise aus "Elinver", das aus 36 % Nickel, 12 % Chrom, 1 bis % Mangan, 1
bis 3 % Wolfram, 1 bis 2 % Silizium, 0,8 Vo Kohlenstoff und aus Eisen besteht, wobei
die Prozentangahen Gewichtsprozente bedeuten. Auch der Werkstoff "Thermelast" ist
geeignet, der aus 40 % Kobalt, 26 % Nickel, 12 Pe' Chrom, 4 % Molybdän, 4 % Wolfram,
1 % Titan, 1,4 % Mangan, 0,2 % Beryllium und Eisen besteht. Auch der Werkstoff '.'
Elgiloy", bestehend aus 40 % Kobalt, 15 % Nickel, 20 % Chrom, 7 U Molybdän, 2 o'
Mangan, 0,04o: Beryllium, 0,15% Kohlenstoff und Eisen, der Werkstoff 11Nickel Span
C", bestehend aus 42 % Nickel, 5,3 % Chrom, 0,5 u Mangan, 0,) % Silizium, 2,4 %
Titan, 0,4 % Alminium, 0,05 % Kupfer, 0,02 , Kohlenstoff und Eisen, sowie das Material
"KRN", bestehend aus 40 % Kobalt, 15 % Nickel, 20 % Chrom, 7 % Molybdän, 1,5 9b
Mangan, 0,45 % Silizium, 0,05 % Beryllium, 0,15 % Kupfer und Eisen, sind als durch
Ausscheidung härtende Metallegierungen geeignet. Diese Metallegierungen scheiden,
wenn sie für etwa ein Stunde lang einer Temperatur von etwa 500 bis 6000C ausgesetzt
werden, intermetallische Verbindungen im Kristallsystem aus, wodurch sich die Legierung
in ihrem Volumen zusammenzieht. Daher wird auf die Meßmembran 4, nachdem sie nach
dem Verschweißen an ihrem Umfange
mit den beiden Gehäuseteilen einer
Wärmebehandlung ausgesetzt ist, eine gleichförmige Konstraktionskraft ausgeübt,
wodurch die beim Verschweißen der Meßmembran 4 aufgetretenen Deformationen beseitigt
werden.
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Für die Isolatoren 5 und 6 wird ein Material verwendet, daß der hohen
Temperatur von etwa 500 bis 6000C während der Wärmebehandlung widerstehen kann und
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der etwa dem des für die Gehäuseteile
verwendeten Metalls entspricht. Bei dem für die Isolatoren 5 und 6 verwendeten Werkstoff
kann es sich beispielsweise um keramische Werkstoffe, wie Forsterit oder Alum.ina
handeln. Die Isolatoren 5 und 6 aus keramischem Werkstoff sind an den inneren Oberflächen
der Gehäuseteile 2 und 3 beispielsweise durch Brennen bei einer hohen Temperatur
zwischen etwa 700 und 800 0C befestigt.
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Fig. 2 zeigt die für die thermische Ausdehnung charakteristischen
Kurven von Metall und keramischen Werkstoffen.
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Die Kurve (A) zeigt die Ausdehnung für Metall, während die Kurve (B)
die Kurve für keramische Werkstoffe wiedergibt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich~, daß
sich die thermische Ausdehnung von Metall und keramischen Werkstoffen mit der Temperatur
unterschiedlidiändert. Metall, wie es für Druck- bzw. Druckdifferenzmeßgeräte benutzt
wird, hat einen thermischen susdehnungskoeffizienten, der in einem unteren Temperaturbereich
kleiner als der von keramischen Werkstoffen und in einem höheren Temperaturbereich
größer als der von keramischen Werkstoffen ist.
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In Fig. 3 ist angedeutet, wie sich das bekannte Druckmeßgerät bzw.
sein Gehäuse thermisch ausdehnt. Es sind in dieser Fig. für gleiche Bauteile gleiche
Bezugs zeichen wie in Fig. 1 verwendet. Im Falle einer Erwärmung des Druckmeßgerätes
bei der Wärmebehandlung der Meßmembran 4
aus einer durch Ausscheidung
härtenden Legierung beispielsweise bei einer Temperatur von 6000C ist die thermische
Ausdehnung im Bereich der Böden 17 und 18 der Gehäuseteile 2 und 3 größer als die
der zylindrischen Teile 15 und 16, die die Isolatoren 5 und 6 aus keramischen Werkstoff
umgeben; dies ist darauf zurückzufüiren, daß - wie Fig. 2 zeigt - das Metall einen
größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als keramischer Werkstoff bei dieser
Temperatur hat. Daher dehnt sich der Gehäusekörper des Druckmeßgerätes in einem
Maße aus, wie es durch die strichlierten Linien angedeutet ist.
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Dies fuhrt zu einer thermischen Deformation in Richtung der Pfeile
K nach Art eines Bimetall-Effektes. Die Kontaktbereiche zwischen den Isolatoren
5 und 6 aus keramischen Werkstoff und den zylindrischen Teilen 15 und 16 der Gehäuseteile
2 und 3 unterliegen dem Einfluß der Temperatur bei der Wärmebehandlung, so daß sich
der mechanische Druck an den Kontaktbereichen ändert. Es können dadurch unregelmäßige
Deformationen an den Kontaktflächen zwischen den Gehäuseteilen 2 und 3 und der Meßmembran
4 hervorgerufen werden, so daß die Meßmembran 4 keine gleichbleibende Charakteristik
aufweist.
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Ähnliche Deformationen in Richtung der Pfeile K können auch beim Brennen
zur Befestigung der Isolatoren 5 und 6 an den Gehäuseteilen 2 und 3 entstehen; dabei
können eventuell sogar die Isolatoren 5 und 6 bersten, wodurch sich fehlerhafte
Verbindungen zwischen den Isolatoren 5 und 6 und den Gehäuseteilen 2 und 3 ergeben.
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t<.ie sich diese Nachteile gemäß der Erfindung beseitigen lassen,
ist anhand eines in den Figuren 4 und 5 in verschiednen Schnittdarstellungen gezeigten
Ausführungsbeispiels nach der Erfindung näher erläutert. Dabei sind in diesen Figuren
Bauteile, die mit dem bekannten Druckmeßgerät nach den Figuren 1 und 3 übereinstimmen,
mit
gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in Fig. 4 in einem Längsscmnitt dargestellte Druckmeßgerät 21
enthält eine Meßmembran 4 aus einer durch Ausscheidung härtenden Legierung, die
einen großen Elastizitätsmodul aufweist und sich bei T-Värmebehandlung zusammenziehen
kann. Außerdem weist das Meßgerät ein erstes und ein zweites Gehäuseteil 22 und
23 sawie einen ersten und einen zweiten Isolator 24 und 25 auf, die in Ausnehmungen
der Gehäuseteile 22 und 23 untergebracht sind.
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Die Gehäuseteile 22 und 23 sind zylindriscn ausgeführt und weisen
zentrisch in ihrem Boden 32 bzw. 33 Durchgangslöcher 34 und 35 auf. Jeder der beiden
Isolatoren 24 und 25 ist ebenfalls zylindrisch ausgeführt und weist an seiner dem
Boden 32 bzw. 33 zugewandten Seite jeweils einen Stutzen 36 bzw. 37 auf. Die Stutzen
36 und 37 sind innen an den Durchgangsöffnungen 34 bzw. 35 in den Böden 32 und 33
der Gehäuseteile 22 und 23 befestigt, beispielsweise durch Hartlöten in dem Falle,
in dem die Isolatoren 24 und 25 aus keramischen Werkstoffen bestehen, oder durch
Einbrennen in den Fällen, in denen die Isolatoren aus Glas bestehen. Zylindrische
Teile 28 und 29 der Isolatoren haben einen Außendurchmesser, der kleiner als der
Innendurchmesser der zylindrischen Teile 26 und 27 der Gehäuseteile 22 und 23 ist,
so daß ein zylindrischer Spalt 30 bzw. 31 entsteht. Jeder der Isolatoren 24 und
25 ist mit Schlitzen 38 bzw. 39 versehen, die radial verlaufen und an der dem Boden
32 bzw. 33 der Gehäuseteile 22 und 23 zugewandten Seite der Isolatoren vorgesehen
sind.
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Die Schlitze 38 und 39 führen bis zu den Spalten 30 und 31.
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Aufgrund der ungleichförmigen thermischen Ausdehnung bei der Wärmebehandlung
infolge Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Gehäuseteile 22 und die
Isolatoren 24 und 25 ergeben sich unterschiedliche thermische
Ausdehnungen
im Bereich der Durchgangsöffnungen 33 und 34 und der Stutzen 36 und 37. Die Unterscniede
in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Gehäuseteile 22 und 23 und der Isolatoren
24 und 25 können jedoch nur kleine Unterschiede in den thermischen Volumenausdehnungen
hervorrufen, da die Länge und der innere Durchmesser der Durchgangsöffnungen 34
und 35 sowie die Länge und der Außendurchmesser dzr Stutzen 36 und 37 klein sind,
so daß nur eine kleine Kontaktfläche zwischen den Durchgangsöffnungen und den Stutzen
vorhanden ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die Gehäuseteile
22 und 23 beispielsweise einen äußeren Durchmesser von etwa 50 mm und die Durchgangsöffnungen
33 und 34 etwa einen inneren Durchmesser von 8 mm bei einer Länge von ca. 3 mm aufweisen.
Die übrigen Teile mit den zylindrischen Teilen 26 und 27 der Gehäuseteile und die
zvlindrischen Teile 28 und 29 der Isolatoren können sich thermisch unabhängig voneinander
ausdehnen, weil die Spalten 30 und 31 vorhanden sind. Thermische Deformationen,
wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, können daher nicht mehr auftreten. Es können
daher auch nicht unregelmäßige Deformationen an den Kontaktflächen zwischen den
Gehäuseteilen 22 und 23 und der Meßmembran 4 entstehen. So ist eine Meßmembran 4
gewonnen, die eine gleichbleibende Charakteristik aufweist.
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Ferner kann, wenn für die Isolatoren 24 und 25 ein Material benutzt
wird, das bei der Einbrenntemperatur zur Befestigung der Isolatoren einen gleichgroßen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material der Gehäuseteile 22 und 23
aufweist, eine Verbindung der Stutzen 36 und 37 mit kleinem Durchmesser durch Einbrennen
mit der Enenfläche der Durchgangslöcher 34 und 35 von ebenfalls kleinem Durchmesser
erreicht werden, ohne daß fehlerhafte Verbindungen zwischen den Isolatoren und den
Gehäuseteilen oder ein unerwünschtes Zerbersten der
Isolatoren
eintreten.
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Mit der Erfindung wird ein Druckmeßgerät vorgeschlagen, bei dem Deformationen
der Meßmembran bei .ärmebehandlungen des Druckmeßgerätes mit verhältnismäßig geringem
Herstellungsaufwand vermieden sind.
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2 Patentansprüche 5 Figuren
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