DE2916774A1

DE2916774A1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2916774A1
Application number: DE19792916774
Authority: DE
Inventors: Pierre Herrmann
Original assignee: Controle Bailey SA
Current assignee: Controle Bailey SA
Priority date: 1978-09-21
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1980-04-03
Also published as: FR2436979A1; FR2436979B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer mit auf einem unter der Wirkung eines zu messenden Druckes verformbaren Träger angeordneten Dehnungsmeßstreifen. Derartige Druckaufnehmer werden bei der Messung von Drücken, Durchflußmengen oder Abgabemengen verwendet.

Seit langer Zeit verwendet man in der Industrie Druckaufnehmer,, die ein elektrisches Signal abgeben können, welches dem Druck der Flüssigkeit, in dem sich der Druckaufnehmer TO befindet oder der Druckdifferenz zwischen zwei Flüssigkeiten proportional ist.

Derartige Druckaufnehmer werden unter Verwendung von Meßgrößenumformern hergestellt, von denen die bekanntesten die Dehnungsmeßstreifen sind» Es handelt sich dabei um Widerstände, deren Widerstandswert von der Verformung abhängt, die sie unter der Einwirkung eines Druckes erfahren. Eine Dehnung erhöht den Widerstandswert, während eine Stauchung ihn vermindert.

Bei derartigen Druckaufnehmern wird die Deformation im allgemeinen indirekt auf die Dehnungsmeßstreifen über einen metallischen Träger oder Meßbalken ausgeübt. Diese Verformung erfolgt unter der Einwirkung einer Kraft, die auf den Träger über eine Membran oder einen Balgen übertragen wird,

der unter dem Meßdruck steht. Die Verformung kann auch direkt durch Druckeinwirkung auf den Träger erfolgen, wie dies beispielsweise bei einem als Membran ausgebildeten Träger der Fall ist.

Die Dehnungsmeßstreifen, im allgemeinen vier an der Zahl, sind auf den metallischen Träger aufgeklebt. Sie wandeln

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die Deformation dos Trägers in eine Änderung des elektrischen Widerstandes um. Indem man aus diesen vier Widerstandselementen eine Wheatstone?sche Brücke bildet, ist es auf einfache Weise möglich, die Widerstandsänderungen in ein elektrisches Signal umzuformen.

Die bekannten Meßvorrichtungen weisen einen schwerwiegenden Nachteil auf, der auf der Tatsache beruht, daß die auf den Träger aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen die Neigung haben, unter Belastung zu fließen. Dies führt zu einer Drift des von dem Druckaufnehmer abgegebenen Signals. Dieses Fliessen wird außerdem durch bestimmte Einflüsse noch beschleunigt wie etwa die Temperatur oder radioaktive Strahlung.

Man hat bereits versucht, diesen Nachteil dadurch zu beheben, daß man die Dehnungsmeßstreifen durch Vakuumbesteubung direkt auf den Träger aufgebracht hat. Legierungen wie Nickel-Chrom-Legierungen eignen sich gut für diese Technologie und ermöglichen das Aufbringen von Schichten, deren Widerstandswert von den Verformungen des Trägers abhängt, auf den die Schichten aufgebracht sind.

Dieses Vorgehen stößt aber auf mehrere Schwierigkeiten. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, daß zunächst auf den Träger eine Schicht aus einem dielektrischen Material aufgebracht werden muß, welche die Dehnungsmeßstreifen gegenüber dem Träger isoliert. Die besten derzeitig bekannten Verfahren erlauben es nicht, Isolierschichten zu erhalten, die gleichzeitig eine gute Haftung besitzen, Spannungen oder Drücke übertragen und eine Durchbruchsspannung von mehr als 500 V besitzen. In der Industrie ist es jedoch häufig notwendig, Durchbruchsspannungen von mehr als 2000 V zu erreichen.

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Ferner sind kleine Oberflächenfehler des Metalles des Trägers unvermeidbar, da sie mit der Metallurgie des Trägers verknüpft sind. Es handelt sich um Luftblasen, Einschlüsse, Ausfällungen, Risse und dgl. Diese Fehler wirken auf die Eigenschaften des von dem Druckaufnehmer abgegebenen Signals zurück und können zu Nichtlinearität/ Hystereseverhalten und einem Ansprechen auf statischen Druck führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art anzugeben, der die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Träger aus Hartglas besteht.

Durch die Erfindung werden zahlreiche Vorteile erreicht, die sich aus den außerordentlichen Eigenschaften von Glas ergeben. Zunächst weist dieses Material keine Fehler in seiner Homogenität auf. Der erfindungsgemälte Druckaufnehmer zeigt daher weder ein Hystereseverhalten noch spricht er auf statischen Druck an. Ferner ist Glas ein perfekter elektrischer Isolator und man kann es mit einer für eine Vakuumbeschichtung erforderlichen Feinheit polieren. Eine dielektrische Schicht zwischen den Dehnungsmeßstreifen und dem Träger ist daher entbehrlich.

Die üblichen Glassorten besitzen im allgemeinen zwar keine ausreichende Bruchfestigkeit, um in Druckaufnehmern mit einer hinreichenden Empfindlichkeit verwendet werden zu können. Diesem Nachteil kann jedoch leicht dadurch abgeholfen werden, daß man diese Gläser einer Härtung unterzieht, die thermisch oder chemisch erfolgen kann.

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Dieser Härtungsprozeß ist in der Glastechnologie wohl bekannt. Es sei kurz daran erinnert, daß das chemische Härten eines Glases beispielsweise in der Weise erfolgt, daß man das zu härtende Glasstück in eine Salzschmelze eintaucht und in dieser für eine hinreichend lange Zeit beläßt, um einen Ionenaustausch zwischen dem Glas und dem Salz stattfinden zu lassen, der auf dem Glas eine Oberflächenbeschichtung entstehen läßt, die bei geeigneter Wahl des Salzes unter Druck steht.

Man erhält auf diese Weise ein Glas, dessen Bruchgrenze 40 bis 50 kg/mm² erreicht, wobei dies gleichzeitig auch die Elastizitätsgrenze des Materials ist. Wie man weiß, ist die Bruchgrenze des für die Träger der herkömmlichen Druckaufnehmer verwendeten Stahles ohne Zweifel höher, nämlich in der Größenordnung von 200 kg/mm². Jedoch ist die Elastizitätsgrenze des Stahls sehr viel niedriger, nämlich in der Größenordnung von 20 kg/mm²· Es ist aber die Elastizitätsgrenze, welche die Leistungsfähigkeit der Druckaufnehmer begrenzt, da jenseits der Elastizitätsgrenze eine bleibende Längung des Trägers und damit der Dehnungsmeßstreifen auftritt, die für ein fehlerfreies Arbeiten des Druckaufnehmers nachteilig ist. Dieser Nachteil tritt bei den erfindungsgemäßen Trägern aus Hartglas nicht auf, da in diesem Fall die Bruchgrenze und die Elastizitätsgrenze praktisch zusammenfallen.

Es ist ferner zu bemerken, daß der Elastizitätsmodul von Glas niedriger als jener von Stahl ist (5000 kg/mm² gegenüber 20000 kg/mm²). Die bei dieser Art von Druckaufnehmern verwendeten Dehnungsmeßstreifen sprechen auf die Deformation an, die in ihnen durch den Träger und nicht direkt durch den Druck hervorgerufen wird. Da der er-

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findungsgemäße Träger aus Hartglas besteht, wird die Ansprechempfindlichkeit des Druckaufnehmers daher verbessert.

Was die Form des erfindungsgemäßen Trägers anbelangt, so kann diese beliebig sein und insbesondere ähnlich der Form sein, die man bisher den metallischen Trägern gegeben hat. Bestimmte Träger sind von einer parallelepiped dischen Stange gebildet, die eine ebenfalls parallelepipedische Durchbrechung aufweisen, wobei die vier Dehnungsmeßstreifen durch Aufstäuben oder durch Aufkleben auf derselben Seite der Stange aufgebracht sind. Diese Stange ist an einem ihrer Endeneingespannt und an ihrem anderen Ende mit einer dem zu messenden Druck ausgesetzten Membran verbunden. Die Stange erfährt somit eine S-förmige Deformation. Dabei werden zwei Dehnungsmeßstreifen gestaucht und die beiden anderen gedehnt. Die gleiche Anordnung kann für den erfindungsgemäßen Träger verwendet werden.

unabhängig von der Form des Trägers können natürlich die Dehnungsmeßstreifen auf diesem auf irgendeine bekannte Art und Weise aufgebracht werden, insbesondere durch Vakuumbestäubung (das hier bevorzugte Verfahren) oder durch Kleben.

Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer; und

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Meßvorrichtung zur Messung eines Differenzdruckes unter Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Druckaufnehmers,

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Der in Fig. 1 dargestellte Druckaufnehmer umfaßt zwei Hartglaslamellen 2 und 4, die zwischen metallischen Endstücken 6 eingespannt sind. Vier Dehnungsmeßstreifen 8 sind auf der Oberseite der Hartglaslamelie 2 angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen werden vorzugsweise durch Katodenzerstäubung aufgebracht. Es kann sich um eine Schicht aus Nickel-Chrom handeln. Eines der Enden des Trägers liegt fest, während das andere dem zu messenden Druck ausgesetzt ist (Pfeil P).

Zur Herstellung der Hartglaslamellen 2 und 4 kann ein natrium- und kalziumhaltiges Glas verwendet werden. Es wird zunächst optisch poliert und dann chemisch gehärtet. Der Härtungsvorgang erfolgt mit Hilfe einer Salzschmelze, die beispielsweise aus einem Kaliumnitratsalz besteht.

Der Härtungsvorgang dauert ungefährt 20 Stunden. Die gehärtete Glaslamelle wird anschließend mit Wasser abgespült.

Nähere Informationen über das chemische Härten von Glas können den Berichten entnommen werden, die von den Hartglas vertreibenden Gesellschaften veröffentlicht wurden. Ferner wird hierzu auf einen Artikel von C. ASTRUC verwiesen mit dem Titel "La trempe chimique aujourd'hui", veröffentlicht in der Zeitschrift "L'opticien lunetier", April 1976, Nr. 4.

Fig. 2 zeigt eine Meßvorrichtung zur Messung eines Differenzdruckes unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers. Die Meßvorrichtung weist zwei Eingänge 12 und 13 auf, die jeweils mit einer Leitung für ein Fluid verbunden sind, dessen Druck gemessen werden soll.

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Zwei Trennmembranen 14 und 15 trennen den den Druckaufnehmer enthaltenden und mit Silikonöl gefüllten Innenraarn fsn dem äußeren Fluid- Die Trennmembranen 14 mnd 15 sollen einerseits den Druck übertragen und andererseits den Druckaufmehmer in dem Innenraum gegen d i e häufig sehr aggressiven Fluide schützen, die in der Industrie verwandt werden. Die Druckdifferenz wirkt auf einen Meßbalgen 16, welcher zwei erfindungsgemäße Glaslamellen 17 und 18 verforsit» Die Glaslamelle 18 trägt zwei Paare von DehnungsmeSstreifen 19 und 20. Unter der Wirkung des Meßbalgen 16 werden die Glaslamellen 17 und 18 S-förmig verformt. Wenn der über den Einlaß 12 übertragene Druck größer ist als der über den Einlaß 13 zugeführte Druck, werden die Dehnungsmeßstreifen 19 gedehnt und die Dehnungsmeßstreifen 20 gestaucht und vice versa. Die Dehnungsmeßstreifen 19 und 20 sind nach Art einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet, um ein elektrisches Signal zu erhalten, das proportional der zu messenden Druckdifferenz ist. Zwei durch Balgen bewegbare Ventile 21 und 22 schützen in bekannter Weise die Meßvorrichtung gegen überbelastung.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Form der Träger beschränkt. Die Träger können beispielsweise rund nach Art einer Membran ausgebildet sein. In diesem Falle bringt man im allgemeinen die auf Zug belasteten Dehnungsmeßstreifen im Zentrum der Membran an, während die auf Druck beanspruchten Dehnungsmeßstreifen im äußeren Bereich der Membran angeordnet werden.

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Claims

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PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KLUNKER

K 12 597

ί-ONTROLE BAILHY
b, Avenue Newton
F-92142 Clamart, France

Druckaufnehmer

Patentansprüche

1J Druckaufnehmer mit auf einem unter der Wirkung eines zu messenden Druckes verformbaren Träger angeordneten Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger {2, 4; 17, 18) aus Hartglas besteht. 5
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Träger (2, 4; 17, 18) bildende Hartglas thermisch gehärtet wurde.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Träger (2, 4; 17, 18) bildende Hartglas chemisch gehärtet wurde.
4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (8; 19,

20) aus Schichten bestehen, die durch Aufstäuben unter Vakuum aufgebracht sind.
5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus zwei Hartglaslamellen (2, 4; 17, 18) besteht, die an ihren Enden miteinander verbunden sind, wobei der Träger unter der Wirkung des zu messenden Druckes eine S-förmige Verformung

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6. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger von einer durch den Druck direkt verformten Membran gebildet ist.

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