DE2829083A1

DE2829083A1 - Vom medium unabhaengiger differentieller druckumwandler

Info

Publication number: DE2829083A1
Application number: DE19782829083
Authority: DE
Inventors: Allen Howe Andrews; John Matthew Hendrie; Terence Keith Rhind; Vaughn Leroy Stone
Original assignee: Bourns Inc
Current assignee: Bourns Inc
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-07-03
Publication date: 1979-03-15
Also published as: GB2003608B; GB2003608A; NO782271L; US4161887A; NL7806996A

Description

"Vom Medium unahängiger differentieller Druckumwandler"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf differentielle Druckumwandler (Differentialdruck-Umwandler oder -Übertrager) und insbesondere auf Differentialdruck-Umwandler, bei denen Membranen von Aneroidkapseln als Drucknachweiselemente verwendet werden.

Bekannt sind Differentialdruck-Umwandler, in denen ein fest angeschlossenes Paar von Aneroidkapselmembranen so eingespannt ist, daß sich die Kapseln zusammen beim Auftreten einer Druckdifferenz an den Einlaßöffnungen verbiegen«, Die sich ergebende Verschiebung geht zur Seite des niedrigeren Drucks hin und die Größe der Verschiebung ist proportional dem Druckunterschied.

In einem Anwendungsfall kann z.B. der auf ein Bezugsabteil in einer Kapsel für Druckdifferenzen auftretende Druck unter den unbekannten Druck reduziert werden, der auf das andere Abteil wirkt. Nach dem Wirksamwerden des unbekannten Drucks im anderen Abteil kann der Bezugsdruck in einer Reihe kleiner Druckerhöhungen vergrößert werden. Wenn sich die beiden Drucke innerhalb der Ansprechempfindlichkeit der

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Kapsel für Druckunterschiede und mit dem Auflösungsvermögen der kleinen Druckerhöhungen gleichen, läßt sich das Gleichwerden der Drucke beobachten durch das Schließen eines Kontakts, der an einer zwischen den beiden Drucken angebrachten Membran aufgesetzt ist.

Andere Möglichkeiten lassen "sich unter Bezugnahme auf den Stand der Technik überprüfen, soweit sich diese auf Einrichtungen zum Bewegungsnachweis ähnlich den erfindungsgemäßen Einrichtungen handelt. Ein derartiges System ist in dem Lyon erteilten US-Patent 3 901 082 unter dem Titel "Fluid Pressure Sensing System and Differential Pressure Unit Therefor" ("Nachweissystem für Flüssigkeitsdruck und dafür bestimmte Differentialdruckeinheit") beschrieben. Ein \ireiteres derartiges System ist in dem Martia erteilten US-Patent 3 882 443 unter dem Titel "Differential Pressure Transducer" ("Differentialdruck-Umwandler") beschrieben.

Zahlreiche bekannte Vorrichtungen wurden für spezielle Probleme entwickelt und dienten damit eng begrenzten Anwendungsfällen. Die Anmelderin kennt kein bekanntes System, in dem der Mechanismus des Druckumwandler mit Flüssigkeit isowird und das gleichzeitig die anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung gewährleistet. Die gegenwärtig verfügbaren Differentialdruck-Umwandler ermöglichen die Messung von Flüssigkeitsdifferentialdrueken, doch ist es unter anderen ein Nachteil dieser bekannten Umwandler, daß die Druckmedien direkt auf die Fühlelemente des Übertragers auftreffen. Ein

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derartiger direkter Kontakt kann aus verschiedenen Gründen unerwünscht sein, so beispielsweise wenn Messungen in korrodierenden Medien zu machen sind.

Es wäre deshalb von Vorteil, einen Differentxaldruckumwandler zu schaffen, in dem Flüssigkeiten, die unter dem zu bestimmenden Druck stehen, nicht in direkten Kontakt mit den Fühlelementen des· Übertragers kommen müssen.

Ein weiterer großer Vorteil wäre es, einen Umwandler für Druckdifferenzen zu schaffen, der aufgrund seines Aufbaus gegen Drucküberlastungen in den Leitungen geschützt ist,

Ein weiterer wünschenswerter Vorteil wäre es, einen derartigen Übertrager zu schaffen, an dem leicht elektrische Ablesungen vorgenommen werden können.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Differentialdruck-Umwandler zu schaffen, in dem flüssige Medien, die unter dem zu bestimmenden Druck stehen, nicht in direkten Kontakt mit den Fühlelementen kommen müssen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen differentiellen Druckumwandler zu schaffen, der aufgrund seines Aufbaus gegen Drucküberlastungen in den Leitungen geschützt ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es schließlich, einen Differentialdruck-Umwandler zu schaffen, der die oben angeführten Vorteile hat und der ferner eine einfache elektrische Anzeige ermöglicht.

Um diese und weitere Erfindung3ziele zu verwirklichen,

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wurde ein Differentialdruck-TJmwandler geschaffen, in dem die Fühlelemente wirksam τοπ den Medien abgetrennt sind, in denen der Druck gemessen werden soll. Der Aufbau besteht aus drei unabhängigen I¹IUssigkeitskammern, zwei Isolierkammern und einer Zentralkammer, die über Flüssigkeit mit zwei ineinandergestellten, gewundenen Membranen von Aneroidkapseln in Verbindung steht. Zwar sind alle Flüssigkeiten bis zu einem gewissen Grad kompressibel, doch ist die Kompressibilität mancher Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, Öl usw., sehr gering, sodaß diese Flüssigkeiten als inkompressibel angesehen werden. Die im folgenden benutzte Bezeichnung "inkompressibel" bezieht sich auf eine dieser Flüssigkeiten. Die Zentralkammer ist mit einer ausreichenden Menge einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt, um eine Stütze für die Aneroidmembranen bei hohen Leitungsdrucken zu ergeben und um die Membranen der Aneroidkapseln aufzubiegen; dadurch wird die vom Druck bewirkte Auslenkung der Aneroide der beim Betrieb an Hochdruckleitungen auftretenden Auslenkung angenähert und Betrieb mit Druckvorbelastung wird ermöglicht. Die beiden Isolierkammern werden als Druckübertragsungseinrichtungen zwischen den den Druck ausübenden Medien und den zum Drucknachweis dienenden Aneroidmembranen verwendet. Die Isoliereinrichtungen und die Nachweismembranen sind so ausgeführt, daß sie alle unter mechanischer Vorbelastung und unter Vorbelastung durch Druck betrieben werden. Die mit den entsprechenden Isolierkammern über die' Flüssigkeit in

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Terbindung stehenden Isoliermembranen sind so ausgeführt und werden so gehaltert, daß die Menge der an die Aneroidfühler übertragenen Flüssigkeit begrenzt ist.

V/eitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile kennzeichnen. ·

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Differentialdruckumwandlers.

Figur 2 ist eine detaillierte Darstellung des darin verwendeten Auslegers.

Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht und verdeutlicht die gegenseitige Lage und die Anordnung des Auslegers, des Abstandsröhrchens und der Dehnungsmeßstreifen.

Figur 4 ist eine Einzeldarstellung und erläutert die Wirkung des Abbiegens des Auslegers.

Figur 5 ist schließlich eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden werden bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, doch, sind diese Ausführungsformen nur Beispiele und erläutern nur eine kleine Zahl der vielen möglichen Ausführungsformen, die mit der Grundidee der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden können. Verschiedene, dem Fachmann sofort verständliche Abänderungen sind im Rahmen der Erfindung möglich, deren Umfang durch die Patentansprüche

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definiert ist.

Figur 1 zeigt schematisch einen Differentialdruck-Umwandler in einer Druckkapsel gemäß vorliegender Erfindung. Einer ersten Isolierkammer 30 ist eine Membrananordnung 14 zugeordnet, die aus einer äußeren Membran 10 und einem Halterungsring 12 besteht. Ein Füllröhrchen 32 dient zum Auffüllen der Isolierkammer 30 und steht mit ihr über die Flüssigkeit in Verbindung; nach dem Auffüllen wird das Röhrchen 32 mit einem KugelverSchluß 34 verschlossen. Der Isolierring 36 bildet eine mechanische Halterung für die Membran 10. Eine isolierende Begrenzung für die Isolierkammer 30 wird von der Ringanordnung 38 gebildet.

In der Isolierkammer 30 befindet sich der Aneroidfühler 16, der aus der äußeren Membran 26 und der inneren Membran 28 besteht.,, Aneroidfühler 16 ist am Abstandsröhrchen 66 mit einem Winkel 29 und dem EaIterungsring 38 befestigt.

Einer zweiten Isolierkammer 50 ist die aus Membran 20 und Halterungsring 22 bestehende Membrananordnung 24 zugeordnet» Isolierkammer 50 ist am anderen Ende des Abstandsröhrchens 66 befestigt und ferner am Träger 44 angeschweißt oder angelötet. Ein zum Auffüllen der Isolierkammer 50 bestimmtes 3?üllröhrchen 60 steht mit ihr für Flüssigkeitsfluß in Verbindung und läßt sich nach dem Auffüllen mit dem Kugelverschluß 62 verschließen. Isolierring 46 ergibt die mechanische Halterung für Membran 24. Der Halterungsring schafft eine isolierende Begrenzung für Isolierkammer 50.

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Der in Isolierkammor 50 angebrachte Aneroidfühler 18 besboht aus einer äußeren Membran 52 und einer inneren Membran 54. Anoroidfübler 18 lsi- an Abstandsröhrohen 66 und der Trifgerringanordnung 4 4 angelötet oder angeschweißt.

Die Flüssigkeit der inneren Fluss igkeitskamiuer 70 steht mit den beiden Anercridfühlern 16 und 18 in Verbindung. Ein Füllröhrchen 56 aum Auffüllen dor inneren Flüssigkeitskamnicr 70 steht mit ihr in Verbindung und wird nach dem Auffüllen mit einem Kugelverschipß 64 verschlossen«, Das Füllröhrch&n 56 enthält eino Stange 58 zum Ausfüllen des Volumens, das andernfalls von der zur Auffüllung der inneren Flussigkeitskarnner verwendeten Flüssigkeit aufgefüllt werden müßte.

Eine aus dom ablenkbax'en Auslegerarm 6 und einem Stütadraht 68 bestehende Trägeranordnung 72 ragt in das Innere der Plüosigkeitskanimer 70 durch einen Ausschnitt 8 im Abstands-roiiL'chen 66. Fühl vorrichtungen 48 zum Uaehweis der Verschiebung bestehen aus Delmungsmeßstreifen 49 und Klemmens tile ken 47; diese Teile sind am ablenkbaren freitragenden Auslegerarm 6 befestigt. Der Stutzdraht 68 kann am Auslegerarm 6 angelötet oder angeschweißt werden. In den Dehungsmeßstreifen 49 erzeugte elektrische Ausgangssignale werden an den Klemmen 47 abgenommen und aus dom. Umwandler 40 über Hochdruck-Anschlüsse 42 nach außen geleitet.

Die innere Flüssigkeitskammer 70 bildet ein geschlossenes Abteil und ist beim Betrieb mit einer inkompressiblen Flüssigkeit wie die Isolierkammern 30 und 50 gefüllt. Es wird nun

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ORIGINAL

angenommen, daß der an die Membrananordnung 14 angelegte Druck P.. größer als der an Membrananordnung 24 angelegte Druck 3^p ist. In diesem Fall zieht sich die äußere Membran 10 auf die innere Membran 12 hin zusammen und erhöht den Flussigkeitsdruck in der Isolierkammer 30. Die Folge ist, daß sich die äußeren und inneren Aneroidmembranen 26 bzw. 28 des ersten Aneroidfühlers 16 aufeinander hinbewegen. Unter dem Einfluß des Drucks P₂ ist die Bewegung der Membran 24-j die über die Bewegung der äußeren Membran 20 zuatandekommt und auf die innere Membran 22 hin gerichtet ist, jedoch kleiner, da der Druck P₂ kleiner als der Druck P.. vorausgesetzt vmrde. Der Druckanstieg in der Isolierkammer 50 ist damit geringer als der in Isolierkammer 30. Das Gesamtergebnis ist, daß die äußere und die innere Membran 52 bzw. 54 des zweiten Aneroidfühlers 18 sich voneinander wegbewegen, v/o durch sich Abstandsröhrchen 66 nach rechts über eine Strecke bewegen kann, die proportional ist der Größe der Differenz zwischen den angelegten Drucken P-j und P₂.

Die detaillierte Darstellung des Auslegerarms in Figur 2 dient zur Erläuterung der Befestigung des Dehnungsmeßstreifens 49 auf einer Seite des Arms. Ein anderer, ähnlicher Dßhnuigsmeßstreifen ist an der anderen Seite des Ai:ms zusammen mit einer entsprechenden Anschlußklemme 47 angebracht. Mittel zur mechanischen Befestigung des ortsfesten Endes des Auslegerarms sind dargestellt, stellen jedoch keinen wesentlichen Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar,

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Nimmt man nun die Richtung und Größe der Verschiebung des Abstandsröhrchens 66 als bekannt an, so erleichtern Figuren 3 und 4 die Erläuterung der Folgen einer derartigen Verschiebung. Aus Figur 3 ersieht man, daß die Bewegung des Abstandsröhrchens 66 in Pfeilrichtung zu einer Ablenkung des Auslegerarms 6 in der gleichen Richtung führt, da der Arm vom Stützdraht 68 verschoben wird. Der obere Teil des Auslegerarms 6 wird unbeweglich fest am Körper des Umwandlers mit einer Befestigungsvorrichtung gehalten, wie aus Figur 2 ersichtlich. Ein aus Dehnungsmeßstreifen 49 und Klemmenstücken 47 bestehendes Netzwerk 48 ist an jeder Seite des Arms 6 befestigt und über Hochdruck-Anschlüsse 42 mit Außenleitungen verbunden (Figur 1). Netzwerke aus Dehnungsmeßstreifen und zugeordneten Schaltungen sind an sich bekannt, wobei die Ablenkung eines Arms der Art des freitragenden Arms 6 den Widerstand des Dehnungsmeßstreifens 49 verändert, sodaß die Größe der Auslenkung dadurch gemessen werden kann. Da die Größe der Auslenkung des Arms proportional zur Differenz zwischen den Drucken P₁ und P₂ ist, ist der Differentialdruck ein abgeleiteter Parameter des Systems.

Figur 4 bietet eine andere Ansicht der Bewegung des ablenkbaren Auslegerarms 6. Der Stützdraht 68 ist in Längsrichtung parallel zur Achse des Abstandsröhrchens 66 praktisch starr, ist jedoch in der Querrichtung flexibel. Wenn deshalb der Auslegerarm 6 von einer Längsbewegung der Membranen abgelenkt wird, biegt sich Stützdraht 68 einerseits in Querrichtung ab,

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bewegt sich aber andrerseits in Längsrichtung mit den Membraneil, wodurch sich der Arm 6 in einem normalen Bogen abbiegen kann. In Figur 4 sind Arm 6 und Stützdraht 68 mit ausgezogenen linien in der Stellung dargestellt, in der keine Kräfte ausgeübt werden; die Darstellung mit gestrichelten Linien zeigt die Stellung nach Ablenkung des Arms. Man erkennt, daß zusätzlich zur Längsbewegung über die Strecke χ auch eine Querbewegung y auftritt, die aus dem vom Arm zurückgelegten gekrümmten Weg resultiert/Außerdem sind die auftretenden Zugspannungen nicht an allen Stellen gleich; der Arm kann an einem Ende unter Zugbelastung stehen und am anderen Ende zusammengestaucht werden, wobei die Belastung Null dann in der Mitte vorliegt. Die Stellen, an denen die Dehnungsmeßstreifen 49 angebracht werden, sind deshalb kritisch. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Zugbelastung des Arms bei einer bestimmten Ablenkung jedoch gleichförmiger, und die Lage der Dehnungsmeßstreifen 49 auf dem Arm ist damit weniger kritisch.

Figur 5 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der wichtige Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform ergibt sich aus der Stellung der Membrananordnungen 14 und 24 der Figur 1 im Vergleich zu den Membrananordnungen 13 und 15 der Figur 5. Wenn der an Membrananordnung 13 angelegte Druck P ^ größer ist als der an Membrananordnung 15 angelegte Druck P₂, bewegt sich Membrananordnung 13 auf den Isolierring 36 zu, sodaß der Flüssigkeitsdruck in Isolierkammer 30 erhöht wird. Die äußere und die innere

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Aneroid-Membran 26 bzw. 28 des ersten Aneroidfühlers 16 •werden dadurch aufeinandergezogen. Unter dem Einfluß des Drucks Pp ist die Zusammenziehung der Membrananordnung 15 geringer, da im vorliegenden !"all als Bedingung angenommen wurde, daß der Druck P₂ kleiner als der Druck P^ ist. Der Druckanstieg in der Isolierkammer 50 ist dann kleiner als der in Isolierkammer 30. Wie vorher ist das Gesamtergebnis, daß sich die äußere Membran 52 und die innere Membran 54 des zweiten Aneroidfühlers 18 voneinander wegbewegen, sodaß sich Abstandsröhrchen 66 nach rechts über eine Strecke bewegt, die der Größe des aus den Drucken P-j und P₂ resultierenden Differentialdrucks porportional ist.

In dem beschriebenen Differentialdruck-Aneroidumwandler sind die Druckfühlerelemente von dem unter Druck stehenden Medium getrennt. Ein Überdruckschutz ist damit durch die mechanische Halterung für die ineinandergestellten Membrananordnungen 16 und 18 eingebaut. Beim Ineinanderstellen dieser Membrananordnungen kann keine weitere Übertragung von Flüssigkeit an die Isolationskammerη stattfinden; deshalb kann auch das Abstandsröhrchen 60 nicht zu stark bewegt werden. Da die Fühleranordnung hohe Überdrucke aushalten kann, ergibt sich ein zusätzlicher Schutz, wie für eine Ausfuhrungsform beschrieben. Das Abbiegen des Auslegerarms über den Stützdraht, der in Querrichtung abgebogen werden kann, ermöglicht die Bewegung des Arms auf einem gebogenen Wegstück, sodaß die Stellen, an denen die Dehnungs-

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meßstreifen am Arm angebracht werden müssen, nicht mehr kritisch sind. Die Erfindung hat damit große Terbesserungen in Bezug auf Flexibilität, Genauigkeit und Sicherheit geschaffene

Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben, doch sind verschiedene, dem Fachmann sofort verständliche Abänderungen im Rahmen der Erfindung möglich.

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Claims

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^{B 12}°3 3. JuIi 1978

Bourns, Inc.
1200 Columbia Avenue
Riverside, Kalifornien
U. S. A.

Patentan JlJiLiLJLJLJlJ;

Differentialdruck-Umwandler, gekennzeichnet durch. eine Druckkapsel; in der Druckkapsel angebrachte Isolierkammereinrichtungen, mit denen Außendrucke an die Kapsel übertragen werden; eine Druckvorbelästung ergebende Einrichtungen, die in den Isolierkammereinrichtungen einen erhöhten Druck aufrechterhalten; Membraneinrichtungen, die die Außendrucke an die Isolierkammereinrichtungen ankoppeln; Halterungseinrichtungen, die eine mechanische Halterung für die Membraneinrichtungen bei Überdruck ergeben; erste und zweite, ineinandergestellte Aneroid-Fühlerelemente, die die an die Membraneinrichtungen angekoppelten Außendrucke in lineare Verschiebungen als Punktion der Größe der Außendrucke umwandeln; Einrichtungen zur Erzeugung einer

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Druckvorbelastung, die erhöhte Drucke in den Aneroid-Fühlerelementen aufrecht erhalt en; mit den Aneroid-Fühlerelementen über Flüssigkeit in Verbindung stehende Abstandsröhrcheneinrichtungen, die einen konstanten Abstand zwischen den Aneroid-Fühlerelementen aufrechterhalten; an die Abstandsröhrcheneinrichtungen angeschlossene Einrichtungen zum Nachweis der linearen Verschiebungen; und Halterungsringeinrichtungen, die den Formen der Aneroid-Fühlerelemente angepaßt sind und die Isolierkammereinrichtungen bilden.
2. Differentialdruck-TTmwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkammereinrichtungen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt sind.
3. Differentialdruok-Umwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membraneinrichtungen eine abgedichtete, aus einem Halterungsring und einer Membran bestehende Anordnung sind, wobei die Membran mit den Isolierkammerη über Flüssigkeit in Verbindung steht.
4. Differentialdruck-TJmwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtungen so ausgebildet sind, daß sie sich der Form der Membraneinrichtungen anpassen.
5. Differentialdruck-Umwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aneroid-Fühlerelemente mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt sind.
6. Differentialdruck-Umwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkainmer einrichtung en mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt sind.

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7. Differeiitialdruck-Umwandler nach. Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Nachweis der Verschiebung bestehen aus: einem Auslegerarm, einem Stützdraht, mit dem der Auslegerarm mit den Abstandsröhrehen verbunden ist, und am Auslegerarm befestigten Dehnungsmeßstreifen.
8. Differentialdruck-TJmwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützdraht in seiner Querrichtung elastisch biegbar ist.

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