DE2951854C2

DE2951854C2 - Differenzdruck-Meßumformer

Info

Publication number: DE2951854C2
Application number: DE2951854A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Katsuta Ai; Yolshitaka Mito Matsuoka; Takeo Hitachi Nagata; Yutaka Karsuta Sakurai; Satoshi Hitachi Shimada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE2951854A1; GB2040456A; US4306460A; GB2040456B; JPS5585236A

Description

dadurch gekennzeichnet.

— daß das obere Ende des Waagebalkens (230) in einer Bohrung (20OaJ eines Befestigungselements (270) aufgenommen und dort an seiner Peripherie mit diesem verschweißt ist.

— daß der Rand des oberen Endes des Waagebalkens (23L) und der Rand der Bohrung (200a;des Befestigungselements (270) mit je einem Vorsprung (280,290) versehen sind,

daß die Vorsprünge (240,290) sich axial von den zu verschweißenden Teilen erheben und daß die Verschwörung der betreffenden Teile (230, 2?0j über diese Vorsprünge (280,290) erfolgt.

Die Erfindung betrifft einen Differenzdruck-Meßumformer mit einem Hauptgehäuse, das einen Hochdruck- und Niederdruck-Einlaß aufweist, mit Membranen, die in dem Hauptgehäuse angeordnet und mit ihrer Außenseite dem Hoch- bzw. Niederdruck ausgesetzt sind, mit Verbindungsmitteln zwischen diesen Membranen, mit einem Waagebalken in Form eines Stabes, dessen oberes Ende mit dem Gehäuse verbunden ist und dessen unteres Ende zwischen, den Membranen angeordnet und mit den Verbindungsmitteln derart verbunden ist, daß sich der Stab bei Bewegung der Membranen verbiegt und mit einem Halbleiter-Dehnmeßstreifen, der an der Oberfläche des Waagebalkens sitzt, wobei das Material des Halbleiter-Dehnmeßstreifens und des Waagebalkens etwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Einen derartigen Differenzdruck-Meßumformer zeigt die GB-PS 14 24 287. Der dabei verwendete Waagebalken ist mittels einer Schraube mit dem Gehäuse verbunden. Die Meßgenauigkeit dieser bekannten Vorrichtung läßt dadurch erheblich zu wünschen übrig. Insbesondere können auch Fehlanzeigen durch Lockern der Schraubenverbindung in Betrieb eintreten.

Durch die DE-OS 26 23 993 ist ein Differenzdruck-Meßgerät bekanntgeworden, bei dem anstelle einer Schraubenverbindung ein Verschweißen angewandt wird. Hier wird aber kein Halbleiter-Dehnmeßstreifen eingesetzt, offenbar weil es Schwierigkeiten bei der Verschweißung gibt. Deshalb wurde ein Biegerohr verwendet. Ein Dehnmeßstreifen ist aber einem Biegerohr zweifellos in mehrfacher Hinsicht überlegen.

Die US-PS 33 6?. 456 betrifft einen Differenzdruck-Meßumformer, bei dem ein doppelter Waagebalken in Serie niii Meßstreifen angeordnet ist. wobei jedes Ende des Waagebalkens mit einer Schraube am Gehäuse befestigt ist. Es gilt hier dssselbe wie vorstehend zu den bekannten Schraubverbindungen ausgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruck-Meßumformer der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß durch die Umgebungstemperatur und durch Vibration keine Beeinfluslungen der Meßgenauigkeit auftreten und daß die Gefahr einer Rißbildung in den Schweißstellen vermindert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Pjaentanspruch angeführten Mußnahmen.

Durch den erfindungsgemäßen Differenzdruck-Meßüfniorrncr wird es möglich. Metalle mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander zu verschweißen, ohne die Meßgcnauigkeit des Geräts zu beeinträchtigen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Differenzdruck-Meßumformers dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht des Hauptteils des Diffe-

jo renzdruek-Meßumformers:

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Waagebalken und das Befestigungsteil:

F i g. 3 und 4 Einzelheiten der Ausführung nach F i g. 1 und zwar Fig. 3. eine Schnittansicht 11 !-111 nach Fig. 2:

J5 und Fig.4 eine vergrößerte Schnittansicht der Schweißverbindung zwischen dem Waagebalken und seinem Befestigungselement.

Nach Fig. 1 werden zwei zu messende Drücke in einen Hochdruck-Flansch I bzw. einen Niederdruck-Flansch 2 durch einen Hochd^ruck-E;?!aß Il bzw. einen Niederdruck-Einlaß 12 eingeführt. Der Hochdruck- und der Niederdruck-Flansch 1 bzw. 2 sind an einem Hauptgehäuse 110 über Dichtungselemente 3 mit Schrauben und Muttern 4, 5 befestigt. Eine Hochdruck-Membran 120 und eine Niederdruck-Membran 130 sind am Hauptgehäuse 110 an Teilen desselben befestigt, die nahe dem Hochdruck- bzw. dem Niederdruck-Flansch 1 bzw. 2 liegen. Ein Mittelstück 140 ist in der Mitte jeder Membran 120 bzw. 130 befestigt. Diese Mittelstücke 140 sind miteinander durch eine Koppelstange 150 verbunden, so daß die Hochdruck-Membran 120 und die Niederdruck-Membran 130 gleichzeitig verschoben werden. Ein Waagebalken 170 ist mit der Koppelstange 150 durch eine Blattfeder 160 so verbunden, daß er durch diese verlagerbar ist.

Ein Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180. der ein Dehnungs-Widerstands-Umformelement ist, ist haftend mit dem Waagebalken 170 verbunden. Der Waagebalken 170 hat einen zylindrischen Befestigungsteil 190, der in

bo einer Bohrung 200a des Befestigungselements 200 aufnehmbar ist. Bei der Montage erfolgt nach dem Einsetzen des zylindrischen Befestigungsteils 190 in die Bohrung 200a Elektronenstrahlschweißen um den oberen Rand des Befestigungsteils 190, so daß der Waagebalken 170 am Befestigungselement 200 festgelegt wird. Nach dem Einsetzen des Befestigungsteils 190 in die Bohrung 200a des Befestigungselements 200 wird der obere Rand des Befestigungsteils 190 symmetrisch in

bezug auf die Achse des Waagebalkens 170 mit dem Befestigungselement 200 verschweißt und fest damit verbunden. Das Befestigungselement 200 seinerseits ist mit einem hermetischen Dichtungskörper 220 verschweißt. An dem hermetischen Dichtungskörper 220 ist ein ringförmiger Vorsprung 220a gebildet. Dieser ist mit dem Hauptgehäuse 110 durch Elektronenstrahlschweißen verbunden, wodurch der hermetische Dichtungskörper 220 fest mit dem Hauptgehäuse 110 verbunden ist.

Damit ist der Waagebaiken 170 am Hauptgehäuse 110 über das Befestigungselement 200 und den hermetischen Dichtungskörper 220 befestigt.

Der Raum zwischen der Hoch- und Niederdruck-Membran 120, 130 und dem Hauptgehäuse 110. zwisehen den Membran-Mitteistücken 140 und der Koppelstange 150 und dem Hauptgehäuse 110 sowie der Raum 330 zwischen der aus Waagebalken 170. Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180. Befestigungselement 200 und hermetischem Dichtungskörper 220 bestehenden Baugruppe und dem Hauptgehäuse UO sind mit einer Flüssigkeil, z. B. Silikonöl. gefüllt.

Das vom Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180 abgeleitete elektrische Signal wird einem Verstärker (nicht gezeigt) über eine Zuleitung 210. die einen Temperaturausgleich für den Dehnmeßstreifen 180 bewirkt, und durch den hermetischen Dichtungskörper 220, der eine Abdichtung gegen Außendruck bewirkt, zugeführt.

Der vorstehend erläuterte Differenzdruck-Meßumformer arbeitet wie folgt. jo

Durch den Hochdruck-Einlaß 11 des Hochdruck-Flanschs 1 und den Niederdruck-Einlaß 12 des Niederdruck-Flanschs 2 werden ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Fluid eingeführt. Die Drücke dieser Fluide beaufschlagen die Hochdruck-Membran 120 bzw. die Nie- js derdruck-Membran 130. Infolgedessen werden die Membranen durch die Differenz zwischen diesen Drükken bewegt. Diese durch den Differenzdruck bewirkte Bewegung wird dann auf das Ende des Waagebalkens 170 über die Mittelstücke 140 der Membranen, die Koppelstange 150 und die Blattfeder 160 übertragen. Die Verlagerung des Endes des Waagebalkens 170 erzeugt eine Dehnung im Dehnmeßstreifen 180. so daß sich dessen elektrischer Widerstand ändert.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel erfolgt nicht nur das Festlegen des Waagebalkens 170 am Befestigungselement 200. sondern auch das Festlegen dieses Befestigungselements 200 an dem hermetischen Dichtungskörper 220 und das Festlegen des letzteren am Hauptgehäuse 110 durch Schweißen. Daher ist es möglieh, einen sehr genauen Üifferenzdruck-Meßumformer zu bauen. Gleichzeitig kann die Größe des Waagebalkens 170 auf ca. -Vj vermindert werden, da er keinen Abschnitt zum Festlegen mittels Schrauben aufzuweisen braucht. Da ferner der Raum zum Eindrehen von Schrauben entfällt, ist der Meßumformer insgesamt klein und leicht.

Durch Verschweißen des Waagebalkens 170 und des Befestigungselements 200 symmetrisch i»i bezug a-jf die Waagebalken-Achse gleichen sich die in den Schweiß- t>o stellen erzeugten thermisch bedingten Formänderungen gegenseitig aus. so daß die Verlagerung des Waagebalkens nicht von solchen thermisch bedingten Formänderungen beeinflußt ist und der Einfluß von durch Temperaturschwankungen und Hysterese hervorgerufenen tij MeBübweichungen !'.!eingehalten wird.

Ferner ist zu beachten, daß dadurch, daß der hermetische Dichtungskörper "J2O piit seinem ringförmigen Vorsprung 220a mit dem Hauptgehäuse 110 verschweißt ist. thermisch bedingte Formänderungen die hermetische Dichtung 2206 nicht beeinträchtigen, so daß ein Lösen des hermetischen Dichtungskörpers von der hermetischen Dichtung 220£> sowie eine Rißbildung vermieden werden.

Nach Fig. 2—4 ist ein Dehnmeßstreifen 180 auf jeder Seite eines Waagebalkens 230 befestigt; der Waagebalken besteht aus einem Werkstoff mit einer Wärmedehnzahl, die derjenigen des Dehnmeßstreifens 180 angenähert ist. Der Waagebalken 230 umfaßt einen Befestigungsteil 240. an dessen Umfang ein Vorsprung 280 gebildet ist. Das Befestigungselement 270 weist einen Vorsprung 290 auf. der an der Wandung seiner Innenbohrung gebildet ist. Die vom Dehnmeßstreifen 180 kommenden Zuleitungen verlaufen durch eine Zuleitungs-Durchführung 250 zum hermetischen Dichtungskörper 220.

Wie aus F i g. 4 hervorgeht, werden der Vorsprung 280 des Befestigungsteils 240 und der Vorsprung 290 des Befestigungselements 270 aneinande,-relegt und durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden, so daß eine Schweißstelle 260 entsteht.

Nach den F i g. 2—4 wird durch die Schweißstelle 260 und deren Außenumfang eine Rißbildung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnzahlen des Waagebalkens 230 und des Befestigungselements 270 bei einem Temperaturabfall nach dem Schweißen wirksam verhindert, da Spannungen durch die elastische und plastische Verformung der Vorsprünge in der Schweißstelle 260 aufnehmbar sind.

Durch das Vorsehen der Vorsprünge ergibt sich ferner der Vorteil, daß die Wärmezufuhr während des Schweißens vermindert wird und der Waagebalken 230 und das Befestigungselement 270 geringere wärmebedingte Formänderungen erfahren, was wiederum zu einer verbesserten Funktionsfähigkeit des Differenzdruck-Meßumformers beiträgt.

Das Schweißen kann auch mit Laserstrahlen oder durch andere Schweißverfahren erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:
Differenzdruck-Meßumformer

— mit einem Hauptgehäuse, das einen Hochdruck- und Niederdruck-Einlaß aufweist.

— mit Membranen, die in dem Hauptgehäuse angeordnet und mit ihrer Außenseite dem Hochbzw. Niederdruck ausgesetzt sind.

— mit Verbindungsmitteln zwischen diesen Membranen.

— mit einem Waagebalken in Form eines Stabes, dessen oberes Ende mit dem Gehäuse verbunden ist und dessen unteres Ende zwischen den Membranen angeordnet und mit den Verbindungsmitteln derart verbunden ist. daß sich der Stab bei Bewegung der Membranen verbiegt.

— mit einem Haibleiter-Dehnmeßstreifen. der an der Oberfläche des Waagebalkens sitzt wobei das Material des Halbleiter-Dehnmeßstreifens und des Waagebaikens eiwa denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.