DE2930287A1 - Zur messung von fluidkennwerten bestimmter wandler - Google Patents

Zur messung von fluidkennwerten bestimmter wandler

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Description

t)IPL.-ING. H. MARSCH 4ooo Düsseldorf χ
81
DIPL.-ING. K. SPARING postfach ι*ο8β8 PATENTANWÄLTE /, TELEFON (03 U> 67 »2 46
48/86
Beschreibung zum Patentgesuch
der Firma The Solartron Electronic Group Limited, Farnborough, Hampshire / England
betreffend:
'Zur Messung von Fluidkennwerten bestimmter Wandler"
Die Erfindung bezieht sich auf Wandler, die geeignet sind für die Verwendung beim Messen der Dichte oder des Druckes oder einer Druckdifferenz bei Fluiden, d.h. Flüssigkeiten und Gasen.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Wandler mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen, bei dem ein Hohlkörper zu Schwingungen anregbar ist und im Betrieb das Fluid oder die Fluide in Berührung mit Innen- und/oder Außenflächen des Hohlkörpers gebracht werden, so daß die Frequenz der Schwingung ein Maß für die Fluiddichte oder den Druck oder die Druckdifferenz wird.
Bekannte Wandler dieser Bauart werden beispielsweise in der GB-PS 1.277.903 beschrieben. Sie umfassen einen im wesentlichen kreiszylindrischen Hohlkörper, ein relativ starres Basisteil, Einrichtungen für das Erregen natürlicher glockenartiger Schwingungen des relativ elastischen zylindrischen Wandungsteils des Hohlkörpers sowie Schaltkreise für die Erzeugung eines Signals, das repräsentativ ist für die Frequenz dieser Schwingung.
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Der Hohlkörper des Wandlers gemäß der genannten GB-PS weist einen Knotenbildungsabschnitt auf sowie eine Halterungsstruktur, die mit dem Knotenbildungsabschnitt verbunden, sowie starr mit dem Basisteil verbunden ist, wobei die Verbindung zwischen der Haltestruktur und dem Knotenformteil elastisch flexibel ist. Diese Art, den Hohlkörper zu haltern, führt zu ausgezeichneten Ergebnissen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es jedoch, eine Halterung für den Hohlkörper eines solchen Wandlers zu schaffen, die entweder in Verbindung mit oder anstelle der erwähnten Halterung des Hohlkörpers verwendbar ist.
Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, aus denen sich auch die Gegenstände der Unteransprüche im einzelnen und in ihrer gegebenenfalls zweckmäßigen Verknüpfung entnehmen lassen.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Teils eines Wandlers zur Messung der Gasdichte gemäß der Erfindung und
Fig. 2 ist eine teilweise Explosionsdarstellung eines Abschnitts des Wandlers nach Fig. 1, jedoch in gegenüber jener vergrößertem Maßstab.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Teil eines Wandlers zur Messung der Dichte eines Gasbrennstoffs oder dergleichen. Der Wandler umfaßt einen zylindrischen Hohlkörper 11, der an ein Basisteil 12 mittels eines Masseabschnitts innerhalb des Hohlkörpers 11 angedrückt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Masseabschnitt einen Knotenbildungsabschnitt (oder Ring) 16 sowie eine Haltestruktur (oder Ring) 18, wobei die Haltestruktur 18 mit dem Knotenbildungsabschnitt 16 mittels einer elastisch flexiblen Verbindung 20 verbunden ist. Das Basisteil 12 wird abgestützt mittels einer Ringfläche 13, auf einer ersten Schulter 22 innerhalb eines Basisteilgehäuses 24.
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Eine Regerspule 26 und eine Meßspule 27 dienen als Mittel für die Erregung natürlicher Schwingungen der dünnen zylindrischen Wandung 28 des Hohlkörpers 11. Diese beiden Spulen sind an Schaltkreise angeschlossen für die Erzeugung eines Signals, das repräsentativ ist für die Frequenz der Schwingung; diese Schaltkreise sind an sich bekannt und umfassen im wesentlichen einen Verstärker (nicht dargestellt), der mit seinem Eingang an die Meßspule 27 angeschlossen ist und mit seinem Ausgang an die Erregerspule 26 angekoppelt wird. Der Verstärker ist in einem Gehäuse 31 untergebracht und mit den Spulen über 4 Drähte verbunden, von denen 2 bei 29 bzw. 30 angedeutet sind. Um dies zu ermöglichen, umfaßt das Basisteilgehäuse 24 einen zentralen Kanal 33, in den ein Verbindungsrohr 34 eingepaßt ist, welches Rohr an das Basisteil 12 mittels einer garnrollenartigen Baugruppe 36 angekoppelt ist, wobei das Rohr 34 und die Baugruppe 36 beide die Drähte, wie die Drähte 29 und 30, umschließen.
Die Baugruppe 36 liegt abdichtend an einer Schulter 38 in dem Kanal 33 an, wobei eine O-Ring-Dichtung 39 zwischengeschaltet ist.
Die Verbindung der Spulen 26 und 27 mit dem Verstärker ist in Fig. 1 dargestellt. Die 4 Drähte wie die beiden Drähte 29, 30 von der Erregerspule 26 und der Meßspule 27 erstrecken sich durch das Basisteil 12, die Baugruppe 36 und das Verbindungsrohr 34 zu jeweils zugeordneten goldplattierten 4 Stiften 40, 41, die in Glasdichtungen 42 eines Stopfens 43 eingebettet sind. Die 4 Stifte 40, 41 passen in zugeordnete goldplattierte Sockel 44, 45 und machen mit diesem Kontakt, wobei die 4 Sockel 44, 45 die 4 Eingänge zu dem Verstärker 31 bilden.
Die Spulen 26 und 27 sind so angeordnet, daß sie mit der dünnen zylindrischen Wandung 28 des Hohlkörpers 11 an entsprechenden Antiknoten (Bäuchen) zusammenwirken, die äquidistant sind von einer Knotenlinie, welche die Wandung 28 im Betrieb umschließt. Darüber hinaus sind die Spulen 26, 27 und ein Teil der 4 Drähte, wie dieDrähte 29, 30, in ein Epoxypharζ eingebettet, so daß sich eine zylindrische Masse 48 innerhalb des Hohlkörpers 11 ergibt.
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Der Hohlkörper 11 ist an seinem oberen Ende offen und weist einen angeformten Innenring 46 auf, der dazu dient, eine Knotenlinie zu definieren, die jenes Ende umschließt. Der Ring 46 liegt koaxial mit der dünnen Wandung 28 und umschließt eine Einlaßöffnung 47 für das Fluid, dessen Dichte zu messen ist. Die Innenfläche der Wandung 28 des Hohlkörpers 11 und die Außenfläche der zylindrischen Masse 48 begrenzen gemeinsam eine Ringleitung 50, die sich zum Basisteil 12 erstreckt, durch welches sich ein oder mehrere kleine Löcher 52 erstrecken, die die Ringleitung 50 mit einem Ringraum 54 verbinden, begrenzt zwischen der Baugruppe 36 und er Innenwandung des zentralen Kanales 33.
Das Gehäuse 24 weist an seinem oberen Ende 56 einen sich nach oben erstreckenden ringförmigen Fortsatz 57 auf, der teilweise den Hohlkörper 11 umschließt. Eine zylindrische Abdeckung 58 weist einen radial auswärtsragenden Flansch 5 9 auf, der an dem Fortsatz 57 anliegt und an diesem angeschraubt ist, wie bei 98, 99 angedeutet.
Fig. 2 ist eine Längsschnittdarstellung der Abdeckung 58, in der mehr Einzelheiten erkennbar sind als in Fig. 1 dargestellt sind. Die dargestellte Abdeckung 58 ist zylindrisch und besteht aus einem Metall wie korrosionsfestem Stahl, beispielsweise unter der Bezeichnung S143 oder FV520 von der Firma Firth Vickers auf dem Markt gebracht. Die Abdeckung 58 umfaßt einen oberen Gehäuseteil 60, innerhalb einer zylindrischen Wandung 61 und abgeschlossen von einer flachen Endfläche 67. Der Innendurchmesser der zylindrischen Wandung 61 ist wesentlich größer als der Außendurchmesser der dünnen zylindrischen Wandung 28 des Hohlkörpers 11, und die Höhe des Gehäuseabschnitts
60 ist so bemessen, daß das verschlossene Ende 67 freiliegt vom oberen Ende des Hohlkörpers 11 (d.h. das Ende mit dem Ring 46), wenn die Abdeckung 58 auf das Gehäuse 24 geschraubt ist. Die Abdeckung ist nämlich so ausgelegt, daß sich eine Strömungsstrecke 93 für Flüssigkeit oder Gas ergibt zwischen der Wandung
61 und dem geschlossenen Ende 67 der Abdeckung sowie dem Hohlkörper 11.
Die Abdeckung 58 umfaßt ferner einen unteren zylindrischen
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Abschnitt 62, der in den oberen Gehäuseabschnitt 60 in der Ebene des Flasches 5 9 übergeht. Der untere zylindrische Abschnitt 62 umfaßt zwei Hauptteile. Der erste Teil 62 ist relativ starr und weist eine Nut 64 in seiner Außenfläche auf, wobei die Nut 64 einen O-Ring aufnimmt zur Abdichtung zwischen der Abdeckung 58 und der Innenfläche des Fortsatzes 57. Der zweite Teil 65 umfaßt Federteile einschließlich einer Mehrzahl von Windungen 66 und 68.
Die Windungen 66, 68 sind aus dem Material ausgearbeitet, aus dem die Abdeckung 58 besteht. Die ringförmige, sich in ' Radialrichtung erstreckende Fläche 69 des Endes der unteren oder letzten Windung 66 ist so ausgebildet, daß sie in Eingriff steht mit einer ringförmigen sich radial erstreckenden Fläche 70, der Haltestruktur 18 des Masseabschnitts 16 in ganz ähnlicher Weise wie ein runder Ventilkörper zusammenwirkt mit einem entsprechenden Ventilsitz in einem Ventil. Es ist festzuhalten, daß eine gute Abdichtung zwischen den Flächen 69 und 70 nicht erforderlich ist, weil das Fluid, dessen Dichte gemessen werden soll, tatsächlich durch das Teil 65 schließt über Kommunikationseinrichtungen, welche in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Anzahl kleiner öffnungen umfaßt, die in den Boden der Windung 68 gebohrt sind. Nur drei kleine öffnungen 71 bis 7 3 sind in Fig. 2 angedeutet/ aber typischerweise können sechs oder mehr vorgesehen sein, jede mit einem Durchmesser von etwa 1 mm.
Der untere zylindrische Abschnitt 62 der Abdeckung 58 paßt innen in den ringförmigen Fortsatz 57 des Gehäuses 24 zwischen diesen Fortsatz 57 und den Hohlkörper 11, und die Oberfläche 69 der Windung 66 klemmt die Haltestruktur 18 auf eine Ringschulterfläche 74 der Basisteilfläche 51. Die Windungen 66, klemmen wirksam den Hohlkörper 11 an das Baisteil 12 und klemmen außerdem die Baugruppe 36 und die Abdichtung 39 gegen die Gehäuseschulter 38.
Die axiale Länge des unteren zylindrischen Abschnitts 62 der Abdeckung 58 ist so bemessen, daß die Federelemente gebildet von den Windungen 66, 68 in vorbestimmbarem Maße komprimiert wird,
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vorzugsweise etwas über die Elastizitätsgrenze hinaus. Damit wird sichergestellt, daß die Klemmkraft, die auf die Haltestruktur 18 ausgeübt wird, im wesentlichen konstant ist und insbesondere im wesentlichen unabhängig ist von mechanischen Toleranzfehlern und thermischen Expansionseffekten, was zu einer stabileren Resonanz für den Hohlkörper 11 führt und demgemäß zu einem genaueren Wandler, da die Kräfte,hervorgerufen durch thermische Expansions beispielsweise, nicht auf die dünne Wandung 28 des Hohlkörpers 11 übertragen werden, sondern absorbiert werden von der Federanordnung, die von den Windungen 66, 68 gebildet wird. Zusätzlich übt diese Federanordnung eine konstante Vorspannung auf die Kreisfläche 70 rings um die gesamte Haltestruktur 18 aus, welche Vorspannung im wesentlichen unabhängig ist, einerseits von dem Drehmoment, das auf die Schrauben 98 und 99 ausgeübt wird, und andererseits von eventuellen Kräften, die auf die Abdeckung 58 einwirken, weil dieses Drehmoment und die Kräfte absorbiert werden von dem Fortsatz 57 des Gehäuses
Mit einem Hohlkörper 11, wie in der oben erwähnten GB-PS beschrieben, beträgt die Gesamtkraft, ausgeübt von der ringförmigen Federanordnung, die von den Windungen 66, 68 gebildet wird, etwa 40 kg, wenn die Abdeckung 58 vollständig auf den Fortsatz 57 aufgeschraubt worden ist.
Das Gehäuse 24 umfaßt ferner zwei Leitungen 76 und 78, die mit einem Raum 81 zwischen dem Fortsatz 57 und dem Teil 65 der Abdeckung 58 bzw. dem oben bereits erwähnten Raum 54 kommunizieren. Ein Fluideinlaß 84 ist über ein Filtergehäuse 85 mit einem Filter 86 an die Leitung 76 angeschlossen, wobei das Filter 86 in ssiner Kammer von einerFeder 87 gehalten wird. In ähnlicher Weise ist ein Fluidauslaß 88 über ein Filtergehäuse 89 mit einem Filter an die Leitung 78 angeschlossen, wobei der Filter 90 in seiner Kammer von einerFeder 91 gehalten wird. Die Leitung 78 kommuniziert mit dem Raum 54 über eine öffnung 82.
Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 und 2 sind besonders bequem insofern, als die Montage,der Ersatzteilaustausch bzw. die Reinigung der verschiedenen Elemente betroffen ist. Zunächst wird eine Vormontage vorgenommen einer Baugruppe,
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welche die zylindrische Masse 48 mit ihren beiden Spulen, das Basisteil 12, die Baugruppe 36 und das Verbindungsrohr 34 umfaßt, in welch letzterem die Drähte 29, 30 enthalten sind und der Stopfen 43 eingesetzt ist. Diese Unterbaugruppe wird dann in die Leitung 33 des Gehäuses 24 eingesetzt, wobei die Baugruppe 36 gegen die Dichtung 39 angelegt wird und das Öasisteil 12 gegen die Schulter 22. Danach wird der Hohlkörper 11 um die zylindrische Masse 48 positioniert, wobei die Haltestruktur 18 sich gegen die Schulterfläche 74 anlegt. Wenn der letztgenannte Arbeitsgang erfolgt ist, wird die Abdeckung 58 auf den Fortsatz 57 geschraubt, wobei sich das Ende 69 der Federanordnung,gebildet von den Wölbungen oder Windungen 66, 68 sich gegen die Fläche 70 der Haltestruktur 18 legt. Schließlich wird nach all diesen Arbeitsgängen der Verstärker 31 am Gehäuse 24 befestigt, wobei die 4 Stifte 40, 41 in die entsprechenden 4 Sockel 44, 45 eingeführt werden.
In der Betriebsphase arbeitet der Wandler gemäß der Erfindung in ähnlicher Weise wie der Wandler gemäß der eingangs genannten GB-PS. Insbesondere strömt in der oben beschriebenen Ausführungsform das Fluid durch die Durchlässe, einschließlich Einlaß 84, Filtergehäuse 85 und Filter 86, Leitung 76, Raum 81, öffnungen 71, 72, 73, Leitung 93, öffnung 47, Raum 50, öffnung 52, Raum 54, öffnung 82, Leitung 78, Filtergehäuse 89 und Filter 90 und tritt schließlich am Auslaß 88 aus.
Die Strömung des Fluidsüber die Außenseite des Hohlkörpers 11 und danach in dessen Inneres eliminiert jegliche Druckdifferenz zwischen Außen- und Innenseite von Hohlkörper 11. Infolge dessen wird die Wandung 28 in ihrer Schwingung nicht von dem Druck des Fluids beeinflußt, sondern nur von dessen Dichte.
Die Federanordnung, gebildet von den Windungen oder Falten 66, 68 kann auch in anderer Weise ausgebildet sein: beispielsweise kann sie gefertigt werden, indem zunächst erste und zweite im Axialabstand liegende Sätze von Schlitzen, die sich durch das
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zweite Teil 65 des unteren Zylinderabschnitts 62 der Abdeckung 58 erstrecken, eingebracht werden, wobei die Schlitze jedes Satzes im gleichen Winkelabstand um den Umfang des Teils 65 liegen und die Schlitze eines Satzes in Winkelrichtung versetzt sind relativ zu den Schlitzen des anderen Satzes.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf einen Vibrationszylinderdichtewandler beschrieben wurde, ist sie in gleicher Weise anwendbar auf einen Schwingzylinderdruckwandler.
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Claims (16)

  1. ]l>IPL.-ING. H. MARSCH "--" : : --"4ooo Düsseldorf ι.
    DIPL.-ING. K. SPARING lindemanjjstrasse si
    POSTFACH 140268
    PATENTANWÄLTE TEMFON (0811) er 22 46 2 9 3 0 2 8
    The Solartron Electronic
    Group Limited
    Farnborough, Hampshire
    England
    48/86
    Patentansprüche
    ( iy Zur Messung von Fluidkennwerten bestimmter Wandler mit mindestens einem Hohlkörper, der eine relativ elastische zu Resonanzschwingungen anregbare Wandung aufweist, mit einem relativ starren Basisteil zur Abstützung des Hohlkörpers, mit einer Einrichtung zum Erregen von Resonanzschwingungen der Wandung, mit Schaltkreisen zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das repräsentativ ist für die Frequenz dieser Schwingungen, und mit einer Klemmvorrichtung zum Anklemmen des Hohlkörpers an das Basisteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (58, 66, 68, 98, 99) für die Erzeugung einer im wesentlichen konstanten vorgegebenen Klemmkraft zwischen dem Hohlkörper (11) und dem Basisteil (12) ausgebildetjist.
  2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (11) eine halbe Struktur (18) umfaßt, mittels der der Hohlkörper an dem Basisteil (12) festklemmbar ist und mit der Wandung (28) über Verbindungsstücke (16, 20) verbunden ist.
  3. 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstücke(16, 20) einen Knotenbildungsabschnitt
    (16) umfassen, der einstückig mit der Wandung (28) ausgebildet ist, sowie eine elastisch flexible Verbindung (20), die einstückig die Haltestruktur mit dem Knotenbildungsabschnitt verbindet.
  4. 4. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (58, 66, 68, 98, 99) eine Federanordnung (66, 68) umfaßt.
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  5. 5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Federanordnung ein einheitliches Bauteil (58) umfaßt, von dem ein erster Teil (62) mindestens eine federnde Windund oder Wölbung (66 oder 68) umfaßt und daß ein zweiter Teil (59) des Bauteils (58) an dem relativ starren Basisteil (12) derart befestigt ist, daß die Windungen oder Wölbungen in einem vorgegebenen Maße komprimiert werden.
  6. 6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen oderWölbungen (66, 68) spanabhebend aus dem Bauteil (58) ausgearbeitet sind.
  7. 7. Wandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Bauteil (58) ein drittes Teil (61, 67) umfaßt, das eine Abdeckung (60) für den Hohlkörper (11) bildet.
  8. 8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (60) gemeinsam mit dem Bauteil (58) eine Leitung (93) für das Fluid begrenzt.
  9. 9. Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (66, 68) Durchtritte (71, 72, 73) für das Fluid aufweist.
  10. 10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtritte (71, 72, 73) mindestens eine Öffnung (z.B. 71) in den Windungen oder Wölbungen (66, 68) umfassen.
  11. 11. Wandler nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen starres zylindrisches Basisteil (12, 24), mit zwei Ringschulterflächen (74, 57), durch eine an dem zylindrischen Hohlkörper (11) mit zu Schwingungen anregbarer Wandung (28) angeordnete Haltemassenstruktur (18) mit zwei ringförmigen Klemmflächen (Unterseite von 18, 70) wobei die erste der Klemmflächen (Unterseite von 18) an der ersten Schulterfläche (74) des Basisteils anliegt und durch eine zylindrische Abdeckung (58) mit einer Ringfederanordnung (66, 68) zwischen zwei weiteren Ringflächen (59, 69), von denen eine (59) anlegbar ist an die zweite Ringschulterfläche (57) des Basisteils
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    und die andere (69) anlegbar ist an die zweite Kleirunflache (70) des Hohlkörpers.
  12. 12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine weitere Fläche (5 9) auf einem Ringflansch (59) ausgebildet ist, der mittels Befestigungsschrauben (98, 99) an der zweiten Schulterfläche (57) befestigbar ist.
  13. 13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schulterfläche (57) die Endstirnfläche eines Ringfortsatzes (56, 57) ist, der einstückig mit dem Basisteil (24) ausgebildet ist, wobei der ringförmige Fortsatz teilweise den Hohlkörper (11) umschließt.
  14. 14. Wandler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (5 9) eine zylindrische Abdeckung (60) abstützt, welche den Hohlkörper (11) umschließt.
  15. 15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (60) , die Federanordnung (66, 68) und der Flansch (5 9) einstückig durch spanabhebende Bearbeitung aus einem einzigen metallischen Werkstück (58) gefertigt ist.
  16. 16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Werkstücks korrosionsfester Stahl ist.
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