DE2910269A1

DE2910269A1 - Einrichtung zur kompensation des temperaturgradientenfehlers bei einem differenzdruck-messumformer

Info

Publication number: DE2910269A1
Application number: DE2910269A
Authority: DE
Inventors: Martin Klobe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1980-10-23

Description

2310269

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 P 3 5 0 9 BRD

Einrichtung zur Kompensation des Temperaturgradientenfehlers bei einem Dlfferenzdruck-Meßumformer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation des Temperaturgradientenfehlers bei einem Differenzdruck-Meßumformer mit einer Meßzelle, die zwei durch eine Meßmembran getrennte Meßkammern enthält, deren Jede durch je eine, von Je einem Eingangsdruck von außen beaufschlagte Trennmembran abgeschlossen Ist, und die mit einer nicht kompressiblen Flüssigkeit zur hydraulisehen Druckübertragung von den Trennmembranen auf die Meßmembran gefüllt sind, wobei sich das Volumen mindestens einer Meßkammer aus drei Teilvolumen zusammensetzt: einem hinter der Trennmembran befindlichen und einerseits von ihr, andererseits von der benachbarten Fläche des Zellengehäuses begrenzten ersten Teilvolumen, einem von der Meßmembran und anschließenden Flächen im Innern der Meßzelle begrenzten zweiten Teilvolumen und einem, von einem Verbindungskanal kleinen Querschnitts zwischen den ersten beiden Teilvolumen gebildeten dritten Teilvolumen.

Sp h Sei / 13.03.1979

0300A3/0011

" 2310263

- 2 - ν?Λ 73 P 3 5 G G BRD

Die zur Füllung der Mcßkar.mern in derartigen Meßumformern verwendeten, nicht kcnpressiblcn Flüssigkeiten, vorzugsweise Silikonöle, veisen einen nicht unerheblichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, etwa 1 % Volumenänderung/10° C Temperaturänderung, dessen Auswirkung, der sogenannte Temperaturfehler, durch besonders volumenarme Konstruktion, möglichst gleichartige Ausbildung und symmetrische Anordnung der Kammern mit Ihren Komponenten zu der die Meßmembran enthaltenden Ebene begrenzbar ist. Bex einem so aufgebauten Differenzdruck-Meßumformer heben sich die temperaturgangbedingten Ausdehnungen der Füllflüssigkeiten in den beiden Meßkammern in ihrer Wirkung auf die Meßmembran auf; er ist in einem größeren Temperaturbereich brauchbar.

Bei einer Reihe von Anwendungsfällen, beispielsweise bei Druckmessung oder bei der auf Differenzdruckmessung beruhenden Höhenstandsmessung in Behältern, kann der dem einen Eingangsdruck im Innern des Behälters ausgesetzte Teil der in die Behälterwand eingebauten Meßzelle auf einem anderen, beispielsweise einem höheren Temperaturniveau liegen, als der außerhalb des Behälters befindliche, beispielsweise der Umgebungstemperatur ausgesetzte Teil. Es entsteht in der Meßzelle ein Temperaturgradient in axialer Richtung, der infolge der unterschiedlichen Ausdehnungen der Füllflüssigkeit in den beiden Meßkammem zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen kann.

Es besteht die Aufgabe, Differenzdruck-Meßumformer vom Zweikammertyp so auszubilden, daß der Tempeturgradientenfehler möglichst weitgehend kompensiert wird.

Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Einrichtung bei Differenzdruck-Meßumformern der eingangs genannten Art gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Trennmembran in dem auf höherem Temperaturniveau befindlichen Teil der Meßzelle eine geringe Volumensteifigkeit

030043/0011

\j - 3 - VPA 73 Γ 3 5 0 2 BRD

I] aufweist und das zweite Teilvolur.cn des zugehörigen Kan-

I' mervolumens in den auf niedrigerem Temperaturniveau, vor-

I zugsweise auf Umgebungetemperatur, befindlichen Teil der

|._t Meßzelle angeordnet und größer ist als die Summe aus er-P 5 stern und drittem Teilvolumen des zugehörigen Kammervolu-

I mens

\\ und daß Trennmembranen und Meßkammern entsprechend der

I Beziehung

I 10 V1 · S1 = V2 · S2 (1)

I ausgelegt sind, wobei V1, V2 die Volumen der Meßkammern

4
I und S1, S2 die Volumensteifigkeiten der von den Eingangs-

jjj drücken p^ und p~ beaufschlagten Trennmembranen mit der

I 15 Dimension [^Druckeinheit/VolumeneinheitJ sind.

I Als Kenngröße einer Membran ist die Volumensteifigkeit S

I das Verhältnis eines auf· die Membran einwirkenden Druckes

H und des bei der Auslenkung der Membran verschobenen VoIu-

20 mens.

Eine Verringerung der Volumensteifigkeit einer Membran läßt sich bevorzugt durch Vergrößerung des Membrandurohmessers erreichen.

25 Eine andere, herstellungsmäßig etwas aufwendigere, aber wirkungsmäßig noch verbesserte Ausführung einer Einrichtung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trennmembran in dem auf höherem Temperaturniveau befindlichen Teil der Meßzelle eine geringe Volu—

30 mensteifigkeit aufweist und das zweite Teilvolumen der zugehörigen Meßkammer in dem auf niedrigerem Temperaturniveau, vorzugsweise Umgebungstemperatur, befindlichen Teil der Meßzelle angeordnet und größer ist als die Summe aus erstem und drittem Teilvolumen, und daß Trennmem-

35 branen und Meßkammern entsprechend der Beziehung

V1 · S1 ■ V2 · S2

030043/0011

■ ' ·' 2310289

- k - VPA 79 P 3 5 0 9 SKD

ausgelegt sind, wobei VI, V2 die Volumen der Meßkaramem und S1, S2 die Volumensteifigkeit der Trcnnmembranen mit der Dimension ([Druckeinheit/Volumeneinheit] sind.

Mit dieser Ausführung kann eine nahezu vollständige Kompensation sowohl des Temperatur- wie auch des Temperaturgradientenfehlers bei flüssigkeitsgefüllten Differenzdruck-Meßzellen nach dem Zweikammerprinzip erreicht werden.
10

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 Ausführungsbeispieie schematisch dargestellt und im folgenden beschriebene

Figur 1; Die zylindrische MeHzelle 1 eines Differenzdruck-Meßumformers ist so in die öffnung einer Behälterwand 2 eingebaut, daß ihre eine Stirnfläche in den Behälter ragt, in welchem -ein hohes Temperaturniveau t^ herrscht, beispielsweise 60° C.

Der größere Teil der Meßzelle 1 befindet sich außerhalb des Behälters auf dem niedrigeren Temperaturniveau tg, beispielsweise Umgebungstemperatur, und enthält zwei Me3kammern KI und K2, die durch eine Meßmembran M voneinander getrennt sind. Beide Meßkammern K1 und K2 sind nach außen durch Trennmembranen TM1 und TM2 abgeschlossen, auf welche die Eingangsdrücke ρ und ρ wirken. Zur hydraulischen übertragung dieser gegeneinander wirkenden EingangsdrUcke auf die Meßmembran M sind die Meßkammern K1 und K2 mit einer nicht kompressiblen Flussigkeit, beispielsweise Silikonöl, gefüllt. Sind die Eingangsdrücke p.. und P₂ ungleich, wird durch die entstehende Druckdifferenz die Meßuembran M nach der einen oder anderen Seite ausgelenkt, die Auslenkung wird in bekannter und deshalb hier nicht näher erläuterter Weise mit Hilfe von resistiven, kapazitiven oder induktiven Mitteln in ein differenzdruckproportionales elektrisches

030043/0011

- 5 - VPA 73 P 3 Γ> 0 3 EfQ

Signal umgewandelt. Die Volumen V1, V2 der 1'cßkair.mcrn K1 und K2 setzen sich jeweils aus drei Tcilvolumcn zusammen. Das erste Teilvolurnen V11 bzw. V21 wird einerseits von der jeweiligen Trennmenbran TI*1 bzw. TI-I2 und andererseits von einer benachbarten Fläche F11 bzv;. F21 des Meßzellengehäuses begrenzt. Wie üblich entsprechen die Flächen F11 und F21 in ihrer Flächenform der der Trennmembranen TM1 bzw. TM2, so daß sich diese im überlastfall an die Flächen anlegen und abstützen können.

Das zweite Teilvolumen V12 bzw. V22 wird einerseits von der Meßmembran M, andererseits von benachbarten Flächen des Zellengehäuses der Meßzelle 1 begrenzt. Die Teilvolumen V11 und V12 bzw. V21 und V22 werden über Verbindungskanäle als dritte Teilvolumen V13 bzw. V23 miteinander verbunden.

Herrscht in der Meßzelle 1 ein axiales Temperaturgefälle von t<, nach t₂» so dehnt· sich die Füllflüssigkeit in der Meßkamraer K1 stärker aus als in der Meßkammer K2. Um diese meßwertverfälschende, unterschiedliche Ausdehnung zu begrenzen, wird als Trennmembran TM1 eine Membran geringer Volumensteifigke.it S1, also eine Membran relativ großen Durchmessers, verwendet und zugleich das zweite Teilvolumen V12 in dem auf niedrigerem Temperaturniveau t₂ liegenden Teil der Meßzelle 1 angeordnet und so bemessen, daß es größer ist als die Summe der dazugehörigen Teilvolumen V11 und V13, d. h. der größere Teil der Füllflüssigkeit in der Meßkammer K1 befindet sich auf etwa gleicher Temperatur wie die FüllflUssigkeit in der Meßkammer K2, so daß der ausdehnungsbedingte Differenzdruck auf die Meßmembran M stark verringert wird, wenn gleichzeitig die Bedingung erfüllt ist, daß das Produkt aus Volumen V1 der ersten Meßkammer K1 und der Volumensteifigkeit S1 der zugehörigen Trennmembran TM1 gleich dem Produkt aus Volumen V2 der Meßkammer K2 und der Volumen-3toifigkeit S2 der Trennmembran TM2 ist.

030043/0011

- 6 - VPA 73 P 3 50C 3RD

Bei einer weiteren Ausführungsform v/ird, wie in Figur 2 dargestellt, das zweite Tcilvolumen V22 den Volumens V2 der Meßkammer K2, die ouf niedrigeren Temperaturniveau t2 liegt, über einen im Innern der Keßzelle 1 verlaufenden und ein weiteres Teilvolumen V24 bildenden Kanal mit ei nem in der Nähe des ersten Teilvoluinens V11 der ersten Meßkammer K1 befindlichen und auf dessen höherem Temperaturniveau t,j liegenden fünften Teilvolumen V25 verbunden. Das Teilvolumen V25 kann, wie dargestellt, aus einer in radialer Richtung verlaufenden Bohrung bestehen, die mit einer Deckplatte 3 abgeschlossen ist. Der das Teilvolumen V24 bildende Kanal verläuft in der Nähe des kanalförmigen Teilvolumens VI3 der ersten Meßkammer K1 und ist somit vJern gleichen Temperaturgefälle ausge setzt.

Die Teilvolumen V24 und V25 sind im Verhältnis der Kammervolumen V1, V2 gleich den Teilvolumen V13 und V11. Die Kammervolumen V1 und' V2 sowie die Volumennteiflgkeiten S1 und S2 der Trennmembranen TM1 und TM2 sind ent- sprechend der bereits genannten Beziehung ihrer Produkte aufeinander abgestimmt.

0300A3/0011

Claims

E ff

Patentansprüche?

jl [λ) Einrichtung zur Kompensation des Temperaturgradien-

[; tenfehlers bei einem Differenzdruck-Meßumformer mit ei-

5 ner Meßzelle, die zwei durch eine Meßmembran getrennte

I Meßkammern enthält, deren jede durch je eine von je ei-

,» nem Eingangsdruck von außen beaufschlagte Trennmembran

!* abgeschlossen ist und die mit einer nicht kompressiblen

I Flüssigkeit zur hydraulischen Druckübertragung von den

ti 10 Trennmembranen auf die Meßmembran gefüllt sind, wobei % sich das Volumen mindestens einer Meßkammer aus drei

Teilvolumen zusammensetzt: einem hinter der Trennmembran befindlichen und einerseits von ihr, andererseits von der benachbarten Fläche des Meßzellengehäuses be- U 15 grenzten ersten Teilvolumen, einem von der Meßmembran i und anschließenden Flächen im Innern der Meßzelle be-

I grenzten zweiten Teilvolumen und einem von einem Verbindungskanal kleinen Querschnitts zwischen den ersten beiden Teilvolumen gebildeten dritten Teilvolumen, '/? 20 dadurch gekennzeichnet, daß die

ί Trenntnembran (TM1) in dem auf höherem Temperaturniveau

[I Ct₁) befindlichen Teil der Meßzelle (1) eine geringe

I Volumensteifigkeit (S1) aufweist und das zweite Teil-

I volumen (V12) der zugehörigen Meßkammer (K?.) in dem auf

^ 25 niedrigerem Temperaturniveau (t₂), vorzugsweise Umgebungstemperatur, befindlichen Teil der Meßzelle (1) angeordnet und größer ist als die Summe aus erstem und ';· drittem Teilvolumen (V11 und V13), und daß Trennmembranen (TM1, TM2) und Meßkammern (K1, K2) entsprechend 30 der Beziehung

fc V1 · S1 - V2 · S2

ausgelegt sind, wobei V1, V2 die Volumen der Meßkammern 35 (K1, K2) und S1, S2 die Volumensteifigkeit der Trenn- I

030043/0011

29102S2

- 2 - VFA 73 P 3 5 O S BRD

membranen (TM1, ΤΓ12) mit der Diconsion [Druckeinhoit/ VolumeneinheitJ sind.
2. Einrichtung gemäß Oberbegriff den Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem auf "niedrigerem Temperaturniveau (tg) befindlichen Teil der Meßzelle (1) angeordnete zweite Teilvolumen (V22) der zweiten Meßkammer (K2) über einen, ein weiteres Teilvolumen (V24) bildenden Kanal mit einem in der Nähe des ersten Tailvolumens (V11) der ersten Meßkammer (K1) angeordneten Teilvolumen (V25) verhältnisgleicher Volumengröße verbunden ist, und daß Trennmembranen (TMI₁ TM2) und Meßkammern (K1, K2) entsprechend der Beziehung

V1 . 31 » V2 . S2

• «

ausgelegt sind, wobei V1, V2 die Volumen der Meßkammern (K1, K2) und S1j S2 die Volumensteifigkeit der Trennmembranen (TM1, TM2) mit der Dimension ([Druckeinheit/ . Volumeneinheit] sind.

030043/0011