DE2941457A1

DE2941457A1 - Drucksensor fuer einen druckgeber

Info

Publication number: DE2941457A1
Application number: DE19792941457
Authority: DE
Inventors: William A Siegel
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1978-10-16
Filing date: 1979-10-12
Publication date: 1980-04-24
Also published as: US4167122A; FR2439455A1; GB2032114B; FR2439455B3; GB2032114A

Description

Patentanwälte DiPL.-iNc. H. ^C'e:c;;mann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LiSKA 294 1457

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

FISCHER & PORTER COMPANY,
Warminster, Pennsylvania, V.St.A.

Drucksensor für einen Druckgeber

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser ist als eine in sich abgeschlossene Zelle ausgebildet, die mit dem Krafthebel des Wandlerteils des Druckgebers gekoppelt und ohne dessen Störung leicht ausgewechselt werden kann.

Druckgeber zur Messung eines absoluten, relativen oder Differenzdrucks, die nach dem Kraftausgleichsprinzip arbeiten, sind bereits bekannt. Ein handelsübliches Instrument dieser Art ist der Druck-Pneumatik-Geber 50 PW 1000, hergestellt von der Anmelderin. Dieser Druckgeber ist in der entsprechenden Firmenschrift 50 PW 1000, 2. Auflage 1978, beschrieben.

Bei einem solchen Druckgeber wird der Verfahrensdruck mit einem Bourdon-Rohr oder mit einem Balgen,abhängig von den zu messenden Druckwerten, festgestellt. Der Sensor ist direkt mit einem Ende eines schwenkbar gelagerten Krafthebels gekoppelt und erzeugt ein Drehmoment, das direkt proportional dem einwirkenden Druck ist. Eine gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft wird aus einem Rückkopplungssystem auf das andere Ende des Kraftbalgens ausgeübt und mit einem Rückkopplungsbalgen erzeugt, der den von dem Geber abgegebenen Druckwert mißt.

Bei Messung eines Differenzdrucks wird ein zweites Bourdon- Rohr oder ein Balgen zur Feststellung des geringeren der beiden gemessenen Druckwerte verwendet. Dieser zweite Drucksensor ist gegensinnig zum ersten Drucksensor angeordnet, so daß der Kraftbalgen nur von dem Differenzwert beaufschlagt wird. Bei der Messung von Absolutdruck ist der zweite Sensor evakuiert und abgedichtet, so daß der auf den ersten Sensor einwirken de Druck mit dem Bezugswert Null und nicht mit Atmosphärendruck verglichen wird.

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Das vorstehend beschriebene Instrument 50 PW 1000 liefert ein pneumatisches Signal im Bereich von 0,2 bis 1 atü, das direkt proportional dem gemessenen Verfahrensdruck ist. Es sind auch Geber handelsüblich, die den Druck in entsprechende elektrische Werte umsetzen. Ein solches Instrument ist der Geber 50 EP 1000 der Anmelderin, der in der Firmenschrift 50 EP 1000-C, 5. Auflage 1978, beschrieben ist.

Dieses elektrische Element arbeitet gleichfalls nach dem Kraftausgleichsprinzip und erzeugt einen Ausgangsstrom in einem industriell nutzbaren Prozeßsteuerbereich (d.h. zwischen 4 und 20 mA^oder zwischen 10 und 50 mA Gleichstrom). Bei diesem Instrument wird das entgegengesetzt gerichtete Drehmoment durch einen Kraftmotor erzeugt, der den Ausgangsstrom des Gebers mißt. Nach dem elektrischen Prinzip arbeitende Geber sind ferner durch die US-Patentschriften 3 564 923 und 3 832 618 bekannt, während ein nach dem pneumatischen Prinzip arbeitender Geber durch die US-Patentschrift 3 742 969 bekannt ist.

Die Erfindung befaßt sich hauptsächlich mit einem Drucksensor, der eine einem einwirkenden Druck entsprechende Kraft erzeugt. Drucksensoren für nach dem Kraftausgleichsprinzip arbeitende Geber, die mit den üblichen Balgen oder gewellten Membranen arbeiten, können nur begrenzt für Druckwerte über 70 Atmosphären eingesetzt werden. Ihre Größen sind dann derart, daß die von den Sensoren erzeugten Kräfte, die durch ihre Druck/Kraft-Verhältnisse bestimmt sind, für einen nach dem Kraftausgleichsprinzip arbeitenden Wandler der normalen industriellen Art zu hoch sind.

Bei einem bekannten Differenzdruckgeber, der von der Anmelderin hergestellt wird und in der Firmenschrift 50 DP 3000, 3. Auflage 1978, beschrieben ist, werden zwei Relativdruckwerte einer Hochdruck- und einer Niederdruckkammer zugeführt, die in dem Geberkörper angeordnet sind. Eine gewell-

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te Membran stellt in jeder Kammer den einwirkenden Druck fest und setzt ihn in eine Kraft um, die gleich dem Produkt aus dem Druck und der effektiven Fläche der Membran ist. Diese beiden Kräfte werden dann in zueinander entgegengesetzten Richtungen auf das untere Ende des schwenkbar aufgehängten Krafthebels über Membranstifte eingeleitet. Der resultierende Differenzdruck erzeugt ein Drehmoment, das den'Krafthebel über einen relativ kleinen Winkel um eine Dichtungsmembran schwenkt, die als Drehpunkt dient.

Bei diesem Geber sind die beiden Sensormembranen mit dem Geberblock verschweißt und begrenzen eine einzige Kammer, die mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist. Diese Flüssigkeit beeinflußt die dynamische Empfindlichkeit der Sensoren und wirkt als hydraulisches Widerlager zum Schutz der Membran bei hohem statischem Druck.

Wie bereits ausgeführt, sind Drucksensoren mit gewählten Membranen für sehr hohe Druckwerte ungeeignet. Ein weiterer Nachteil derartiger Sensoren besteht jedoch darin, daß sie eine begrenzte Lebensdauer haben, insbesondere wenn sie korrodierenden Flüssigkeiten ausgesetzt sind. Muß ein Sensor in einem Differenzdruckgeber ausgewechselt werden, so kann dies nicht am Einsatzort durchgeführt werden. Die Membranen sind mit dem Geberkörper verschweißt und die Sensoren sind somit in den Wandlerteil des Gebers strukturell einbezogen. Der gesamte Geber muß deshalb ausgebaut und zum Hersteller gesandt werden, um die Sensoren auszuwechseln, so daß er für längere Zeit ausfällt.

Es gibt auch mit Bourdon-Rohren arbeitende Drucksensoren, deren Druck/Kraft-Verhältnisse sich für hohe Druckwerte bis zum 7000 oder 1400 Atmosphären eignen. Wegen ihrer physikalischen Form neigen derartige Sensoren jedoch zur Ansammlung von Verschmutzungen sowie von kondensierter Feuchtigkeit, wenn keine idealen Prozeßbedingungen vorliegen. Um diese Probleme zu vermeiden, werden oft chemische Dichtungen verwendet,

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jedoch erhöhen diese die Herstellungskosten des Sensors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Drucksensor anzugeben, der ein hohes Druck/Kraft-Verhältnis hat und somit auch bei hohen Druckwerten eingesetzt werden kann. Insbesondere soll dieser Drucksensor billig herzustellen sein und mit einer flachen Membran arbeiten, deren Druck/-Kraft-Eigenschaften mit denjenigen eines Bourdon-Rohres vergleichbar sind. Hierbei sollen jedoch wesentlich bessere Isolations- und Dichtungseigenschaften verwirklicht werden, so daß der Drucksensor außer für hohe Druckwerte auch in korrosiven oder anderweitig gefährlichen Medien eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .

Ein Drucksensor nach der Erfindung hat die Form einer in sich einheitlichen Zelle, die leicht mit dem Kraftbalgen des Wandlerteils eines Differenzdruckgebers gekoppelt oder von ihm gelöst werden kann. Diese Zelle ist somit eine Wegwerfeinheit, die am Einsatzort ausgewechselt werden kann.

Die Drucksensorzelle nach der Erfindung erzeugt eine Kraft, abhängig von einem auf sie einwirkenden Druck, durch die der schwenkbar aufgehängte Krafthebel des Wandlerteils eines Druckgebers ausgelenkt wird. Dabei wird der Druck in ein entsprechendes Signal umgesetzt. Die Sensorzelle hat ein Gehäuse, das in eine Aussparung des Geberkörpers eingesetzt werden kann und mit einer darin vorgesehenen Kammer verbunden wird, in die das untere Ende des Krafthebels hineinragt.

Das Zellengehäuse ist in einen hinteren Abschnitt, einen mittleren Abschnitt und einen vorderen Abschnitt unterteilt. In

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dem hinteren Abschnitt ist einstückig mit dessen Wand zum mittleren Abschnitt eine dünne Platte angeordnet, die als flache Sensormembran arbeitet. Die flache Membran ist mit einem Verbindungsstift versehen, der in die Kammer des Geberkörpers hineinragt und mit dem Krafthebel koppelbar ist, so daß eine Auslenkung der flachen Membran eine entsprechende Auslenkung des Krafthebels bewirkt.

In dem vorderen Abschnitt des Gehäuses ist nahe dessen öffnung eine gewellte Sperrmembran vorgesehen, hinter der eine Ausfüllung angeordnet ist, die sich an dem vorderen Abschnitt abstützt. Der freie Raum der Stirnseite der Ausfüllung der Sperrmembran steht über einen Kanal in der Ausfüllung mit der Platte in Verbindung, und die miteinander verbundenen Räume sind mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß eine Auslenkung der Sperrmembran durch einen einwirkenden Druck hydraulisch auf die Sensormembran übertragen wird und eine Kraft zur Auslenkung des Krafthebels erzeugt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt eines Drucksensors, der mit dem Krafthebel des Wandlerteils eines Druckgebers gekoppelt ist,

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt des Zellengehäuses, Fig. 3 eine Draufsicht auf das Gehäuse und Fig. 4 eine Einzelheit aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Druckgeber dargestellt, der einen Wandlerteil 10 der handelsüblichen und eingangs beschriebenen Instrumente oder auch jeden anderen bekannten Wandlerteil enthalten kann, welcher nach dem Kraftausgleichsprinzip arbeitet und ein

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pneumatisches oder elektrisches Ausgangssignal abhängig von einem einwirkenden Druck erzeugt. Der Wandlerteil umfaßt einen schwenkbar gelagerten Krafthebel 11, dessen unteres Ende in die Kammer 12 eines Geberkörpers 13 hineinragt, sowie den üblichen Hebeldetektor und einen Motor oder Balgen in einer Rückkopplungsschleife zur Erzeugung eines Ausgleichsmoments .

Eine Drucksensorzelle nach der Erfindung hat ein zylindrisches Gehäuse 14, das aus einem Metall, wie Aluminium oder Edelstahl gefertigt ist. Das Gehäuse hat eine Abstufung, durch die es in einen hinteren Teil 14R kleineren Durchmessers, einen mittleren Teil ^4M und einen vorderen Teil 14F größeren Durchmessers unterteilt ist. Der Geberkörper 13 ist mit einem seitlichen Sockel 15 versehen, der über einen Kanal 16 mit der Krafthebelkammer 12 in Verbindung steht. Der Sockel hat eine Abstufung, die derjenigen des Zellengehäuses 14 angepaßt ist, so daß dieses in den Sockel eingesetzt werden kann, wobei die Kante 14S des Zellengehäuses 14 an der Seitenwand des Geberkörpers 13 anliegt. Das Zellengehäuse 14 ist zwischen dem Geberkörper 13 und einem Flansch 27 angeordnet, der mit einer öffnung 18 versehen ist, durch die hindurch die zu messende Prozeßflüssigkeit zugeführt wird.

In dem hinteren Teil 14R des Zellengehäuses 14 ist eine flache, kreisrunde Platte 19 angeordnet, die vorzugsweise gleichmäßige Dicke hat. Die Platte 19 ist einstückig mit der Wand des hinteren Teils 14R ausgebildet, die die Verbindung zum mittleren Teil 14M ist. Die Verbindung der Platte 19 mit der Wand des mittleren Teils 14M hat einen Hohlkehlenradius, um die Eigenschaften der Platte 19 als flache Sensormembran zu verbessern. Die Platte 19 ist mit einem Verbindungsstift 20 versehen, der an einem Ende mit ihrer Mitte verbunden ist und durch den Kanal 16 hindurch in die Kammer 12 hineinragt, wo sein freies Ende durch eine Schraube 21 oder ein anderes Verbindungsmittel mit dem unteren Teil des Krafthebels 11 verbunden ist.

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In dem vorderen Teil 14F nahe dessen öffnung ist eine gewellte Sperrmembran 22 angeordnet. Sie ist mit ihrem Umfang an der Wand dieses Gehäuseteils verschweißt oder anderweitig befestigt. Hinter der Membran 22 befindet sich unter geringem Abstand die Stirnseite einer Ausfüllung 23. Diese Stirnseite ist in ähnlicher Weise gewellt, so daß der freie Raum 24 zwischen der Stirnseite und der Membran 22 gleichfalls gewellt ist. Die Ausfüllung 23, die gleichfalls gestuft ist, liegt in dem vorderen Gehäuseteil 14F, wobei sie in den mittleren Gehäuse 14M hineinragt und eine Füllkammer 25 in dem Raum zwischen ihrer Rückseite und der Platte 19 bildet. Die Ausfüllung 23 ist mit einem Mittelrohr 26 versehen, das die Vorderseite mit der Füllkammer 25 verbindet. Die so miteinander verbundenen Räume sind mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt.

Die Platte 19 dient als Sensormembran und ist ein integraler Teil des Sensorgehäuses 14, welches ferner mit der Sperrmembran 22 versehen ist, um die Sensormembran von der Prozeßflüssigkeit zu trennen. Auf diese Weise wird die Platte 19 gegen korrosive Flüssigkeiten geschützt. Der auf die Sperrmembran 22 einwirkende Druck wird über die Hydraulikflüssigkeit auf die Sensormembran 19 übertragen, so daß deren Mitte linear soweit ausgelenkt wird, daß der nach dem Kraftausgleichprinzip arbeitende Wandler 10 über den Verbindungsstift 20 betätigt wird.

Bei einem nach dem Kraftausgleichsprinzip arbeitenden Geber üblicher Art erzeugt das Produkt des einwirkenden Drucks und der effektiven Fläche der gewellten Membran in dem Sensor eine Kraft, die durch eine gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft einer Rückkopplungsschleife des Wandlers ausgeglichen wird, so daß lediglich eine solche Bewegung innerhalb des Systems erforderlich ist, daß der Krafthebel-Detektor in der Rückkopplungsschleife ausgelenkt wird.

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Bei einem Drucksensor nach der Erfindung, bei dem die Sensormembran selbst keine gewellte Membran, sondern eine flache Platte ist, wird die hohe Kraft, die durch die Druckwirkung der gewellten Sperrmembran erzeugt wird, bei der Auslenkung des kreisrunden Abschnitts der Platte so weit absorbiert, daß sie zur Betätigung des Detektors ausreicht. Die Rückkopplungskraft, die sich aus der linearen Auslenkung des Detektors ergibt, ist wesentlich kleiner als der Wert einer theoretisch gleichen, jedoch entgegengesetzt gerichteten Kraft, jedoch ist sie proportional dem einwirkenden und zu messenden Druck. Eine Biegung des Verbindungsstiftes 20 ermöglicht eine Rückkehr des Systems in seine Nullstellung.

Da alle Komponenten der Drucksensorzelle mit Ausnahme des Verbindungsstiftes 20 in dem Gehäuse 14 angeordnet sind, stellt die Sensorzelle eine eigenständige Einheit dar, die in sehr einfacher Weise in den Sockel 15 des Geberkörpers eingesetzt werden kann, wobei lediglich die Schraube 21 zur Verbindung des freien Endes des Verbinäungsstiftes 20 mit dem Krafthebel 11 festgezogen werden muß. Um die Zelle auszuwechseln, ist lediglich die Schraube 21 zu lösen, wodurch die Entfernung der Zelle aus dem Sockel 15 möglich ist. Somit kann die Zelle in der Praxis als Wegwerfeinheit behandelt werden, die ohne Störung des Wandlerteils des Gebers ausgewechselt werden kann. Bei einem Differenzdruckgeber werden natürlich zwei derartige Zellen verwendet.

Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zahlreiche Weiterbildungen und Abwandlungen möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. So könnte beispielsweise die Ausfüllung 23 nicht gewellt, sondern flach ausgeführt sein.

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L e e r s e i t e

Claims

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Patentansprüche

'j 1.)Drucksensor für einen Druckgeber, der einen einwirkenden — Druck in eine Kraft zur Auslenkung eines schwenkbar gelagerten Krafthebels im Wandlerteil des Druckgebers umsetzt, wobei der Druckgeber in seinem Körper eine Kammer aufweist, in die das untere Ende des Krafthebels hineinragt und die mit einem Anschlußsockel für den Drucksensor versehen ist, gekennzeichnet durch ein in den Anschlußsockel (15) einsetzbares Sensorgehäuse (14), das in einen hinteren Teil (14R), einen mittleren Teil (14M) und einen vorderen Teil (14F) unterteilt ist, durch eine mit der Wand zwischen dem hinteren Teil (14R) und dem mittleren Teil (14M) einstückige Platte (19), die als Sensormembran arbeitet und über einen Verbindungsstift (20) mit dem Krafthebel (11) koppelbar ist, durch eine in dem vorderen Teil (14F) nahe dessen öffnung angeordnete Sperrmembran (22) und durch eine in den vorderen Teil (14F) hinter der Sperrmembran (22) mit Abstand (24) angeordnete Ausfüllung (23) , die einen Verbindungskanal (26) zur Verbindung des Abstandes (24) mit einer Füllkammer (25) zwischen ihr und der Platte (19) aufweist, wobei die so miteinander verbundenen Räume (24, 25) sowie der Verbindungskanal (26) mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) ein zwischen seinen Teilen (14R, 14M, 14F) gestufter Zylinder ist, wobei der hintere Teil (14R) einen kleinen Durchmesser, der mittlere Teil (14M) einen Zwischendurchmesser und der vordere Teil (14F) einen großen Durchmesser hat, und daß der Anschlußsockel (15) dazu komplementär gestuft ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) und die Platte (15) aus einem Metallstück gefertigt sind.
4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmembran (22) gewellt ist und daß die Stirnseite der Ausfüllung (23) gleichartig gewellt ist.
5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) zwischen dem Geberkörper (13) und einem Anschlußflansch (27) angeordnet ist.
6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) an der Verbindungsstelle mit der Platte (15) und dem mittleren Teil (14M) einen Hohlkehlenradius aufweist.
7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wandlerteil (10) eine Rückkopplungsschleife vorgesehen ist, die ein Ausgleichsmoment für den Krafthebel (11) erzeugt.

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