DE3005973C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Druckmessung, insbesondere von zähflüssigen Medien, die vielfach bei hoher Temperatur unter Drücken von 100 bis über 700 bar verarbeitet oder gefördert werden, ist es oft notwendig, zur Druckübertragung eine weitgehend eigenkraft­ freie (schlappe) Membran mit möglichst kleinem Durchmesser zu verwenden, um die Oberfläche der z. B. bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen meistens engen Förderleitungen, For­ men und Preßzylindern, möglichst wenig zu verändern.

Die Kleinheit der Membran bedingt, daß die Durchbiegung der Membran sehr klein gehalten wird, damit die von der Richtung der Druckänderung abhängigen Spannungen in der Membran (z. B. die elastische Hysterese) klein bleiben. Die Eigenkräf­ te der Membran können praktisch völlig eliminiert werden, wenn es gelingt, eine auf die Membran wirkende Kompensa­ tionskraft durch automatische Regelung so zu steuern, daß die Membran genügend rasche Schwingungen um ihre Nullage aus­ führt, die bei kleiner Amplitude durch die angepaßte Träg­ heit des Meßsystems gemittelt werden und weder die Anzeige noch die Verarbeitung des Mediums stören, dessen Druck ge­ messen werden soll.

Eine bekannte Methode, die auf die Meßmembran wirken­ den Kräfte und damit bei bekannter wirksamer Fläche der Meßmembran den Druck zu messen, besteht darin, daß man auf die dem zu messenden Druck abgewandte Seite der Meßmembran einen Stempel aufsetzt und auf ihn eine Kraft wirken läßt, die der auf die Meßmembran wirkenden Kraft gleich ist.

Diese Kraft wird bei bekannten Druckmessern der eingangs genannten Art (z. B. DE-OS 22 52 389) dadurch erzeugt, daß man den Druck des in vielen Betrieben vorhandenen Hilfs­ drucknetzes über einen Druckregler, der durch die Durchbie­ gung der Meßmembran gesteuert wird, auf eine Kompensationsmembran und auf der Meßmembran kraftschlüssig aufliegenden Stempel so wirken läßt, daß die Meßmembran bis auf eine geringe Restdurchbiegung in ihre Ausgangslage zurückgeführt bzw. zu Schwingungen mit kleiner Amplitude um ihre Nullage gezwungen wird.

Der Nachteil dieser Art Kompensationsdruckmesser für hohe Drücke ist, daß es kaum Hilfsdrucknetze für Meßgeräte mit einem Netzdruck von mehr als 1 bar, selten bis 3 bar gibt, und daß daher bei einem zu messenden Druck von 700 bar die Kompensations­ membran mit Gehäuse auch für den kleinsten praktisch brauchbaren Durchmesser der Meßmembran 1 von 0,5 cm einen Durch­ messer von bis zu 20 cm erfordert. Diese Abmessungen behin­ dern den Einbau der Geräte erheblich.

Aus diesem Grunde wurde auch die Druckversorgung aus hydrau­ lischen Hilfsdrucknetzen vorgeschlagen.

Abgesehen davon, daß derartige Hilfsdrucknetze selten anzu­ treffen sind, benötigen diese Geräte eine zusätzliche Leitung für die Ableitung der aus dem Regler austretenden Flüssig­ keit.

Druckversorgungsprobleme gibt es auch für Regelventile, vor allem für kleine Membranventile in kleinen, z. B. Heizungs­ anlagen. Hierfür ist es bekannt (CH 5 27 466), den benötigten Hilfsdruck durch Verdampfen einer geeigneten Flüssigkeit mit günstiger Dampfdruckkurve, z. B. Wasser, mit einer aus dem überall vorhandenen Netz gespeisten elektrischen Heizung zu erzeugen. Die dabei auftretende träge Reaktion, insbeson­ dere beim Kondensieren des Dampfes bei fallendem Druck, läßt sich bei Stellantrieben nur in begrenztem Umfang beseitigen, weil in jedem Fall ein so großes Dampfvolumen erzeugt und vor allem kondensiert werden muß, wie es der Volumenänderung des Druckraumes beim Verstellen der bewegten Teile ent­ spricht.

Bei Meßgeräten dagegen, vor allem bei Meßgeräten für höhe­ ren Druck, läßt sich das für die Aussteuerung benötigte Volu­ men durch Anwendung einer Kompensationsmethode auf wenige mm³ reduzieren. Den Kompensationsdruck wählt man, wie es bei Erzeugung dieses Druckes durch Verdampfen einer Flüssigkeit ohne Schwierigkeiten möglich ist, so hoch, daß seine Messung mit einfachen Röhrenfedermanometern mit einer Volumenände­ rung von wenigen mm³ mit einer der gestellten Meßaufgabe angepaßten Genauigkeit und Robustheit möglich wird. Weil die im allgemeinen hohe Temperatur der Kunststoffschmelzen die Einbaustelle des Manometers nicht erreicht, können hier auch neuerdings serienmäßig hergestellte Flüssigkeitsdrucksensoren, deren Volumenänderung verschwindend gering ist, eingebaut werden, wenn ein elektrisches Ausgangssignal gewünscht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit kleiner Volumenände­ rung des Druckraumes so zu kon­ struieren, daß es für höhere Drücke geeignet ist, kleinere Abmessungen ermöglicht und dadurch sehr kleine Volumenände­ rungen des Druckraumes aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die geringe erforderliche Verdampferleistung ermöglicht es, die Verdampfung durch Erhitzen der Flüssigkeit in einer als speziell geformte dünnwandige Metallkapillare ausgebildeten Verbindungsleitung zwischen dem Druckraum der Kompensations­ membran und dem Anzeigegerät vorzunehmen, wobei für die Verbindungsleitung ein Material mit ausreichendem spezifi­ schen Widerstand gewählt wird, so daß die Verbindungsleitung selbst als Heizwiderstand für den Heizstrom benutzt werden kann. Dadurch entfällt eine besondere Heizwicklung und vor allem die Isolierung, die beide die Wärmespeicherung des Verdampfers erhöhen und den Wärmeaustausch mit der umgeben­ den kühleren Luft erschweren würden.

Für die rasche Abkühlung und Kondensation des Dampfes ist ein hoher Kompensationsdruck ebenfalls nützlich, weil die Tempe­ raturdifferenz zur umgebenden Luft steigt, der Wärmeinhalt des Dampfes sich nur wenig ändert.

Da alle beweglichen vom Kompensationsdruck beaufschlagten Teile eines Druckmessers der oben beschriebenen Bauart über den ganzen Meßbereich hin in ihre Ausgangslage zurückgeführt werden, ist die vom Kompensationsdruck zu deckende Volumen­ änderung sehr klein. Daher kann auch die Verdampfungsvor­ richtung sehr klein dimensioniert werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines nach obigen Gesichtspunkten konstruierten Druckmeßgeräts wird anhand von Abbildungen erläutert.

Nach Abb. 1 wird von der Meßmembran 1 die durch den Meßdruck p erzeugte Kraft k mit dem Stempel 2 auf den Hebel 3 übertragen. Durch La­ gerung des mit einer abgerundeten Spitze versehenen Stempels 2 in einer kegeligen Bohrung des Hebels 3 wird der Stempel 2 zen­ triert, durch Einschrauben der Hülse 4 in den Gewindeansatz 5 des unteren Gehäuseteils 6 wird Kraftschluß zwischen Meßmembran 1 und Hebel 3 hergestellt und die Membran 1 in dem erwünschten Maß vorgespannt. Durch die Kontermutter 7 wird die Hülse fixiert. Der Einschnitt 8 im Hebel 3 läßt den mit dem Gehäuseboden ver­ schraubten Hebel 3 federn, so daß Durchbiegungen der Meßmembran 1 in einem durch das Verhältnis des Abstandes der Stempelspitze zu dem Abstand des elektrisch isolierten, mit der Klemme 17 verbun­ denen, Kontaktniets 9 vom Einschnitt 8 vergrößerten Maß auf das Kontaktniet übertragen werden. Der Hub des Hebels 3 und des Bo­ dens der Kompensationsbalgmembran 12 wird durch den Anschlag 13 begrenzt für den Fall, daß die Verdampfung der Flüssigkeit, vor­ zugsweise Wasser, gestört ist.

Die Kompensationsmembran 12 ist vollständig mit Wasser gefüllt und durch die ebenfalls mit Wasser bis auf ein restliches Volu­ men von einigen mm³ mit Wasser gefüllte spiralig gewundene Ka­ pillarleitung 14 mit dem zur Anzeige des Kompensationsdruckes und damit des zu messenden Druckes dienenden Röhrenfedermanometer 15 verbunden. Der flachgewalzte Querschnitt der aus dünnwandigem Neusilberrohr gefertigten Spezialkapillare (Einzelheit II, Abb. 2) hat einen für ihre Funktion als Heizspirale ausreichend hohen Widerstand.

Das Bourdonrohr und die Federträgerbohrung des Manometers sind vollständig mit Wasser gefüllt.

Der Pol des Heizstromkreises ist über ein Umkehrrelais mit Klemme 10 und damit über die Lasche 10 a mit dem Ende der Ka­ pillarheizspirale verbunden, während der andere Pol über Klem­ me 11 mit dem Gehäuse verbunden ist.

Der Deckel des Gehäuses besteht aus Isoliermaterial.

Die Steuerung der unter der Zersetzungsspannung von Wasser lie­ genden Heizspannung erfolgt wie bereits beschrieben über ein Um­ kehrrelais unter Zwischenschaltung eines Transformators, dessen Sekundärspannung maximal 2 Volt erreicht.

Die Schaltfrequenz der Steuerung liegt so hoch, daß infolge der Dämpfung der Strömung in der Kapillarspirale der Zeiger des Ma­ nometers nicht vibriert, andererseits liegt sie soweit unter der Eigenfrequenz des Meßsystems, daß keine Regelschwingungen auftreten.

Im Inneren der Kompensationsmembran 12 ist ein gegen die Kraft einer vorgespannten Feder zusammendrückbarer geschlossener Faltenbalgkörper 18 (Einzelheit III, Abb. 3) eingebaut, der beim Überschreiten des Enddrucks des Manometers soweit zusam­ mengedrückt wird, daß beim Versagen der Steuerung auch bei ma­ ximal möglicher Heizleistung alle in der Kapillarheizspirale nach Überschreiten des Enddrucks des Manometers noch verdampfen­ de Flüssigkeit vom vergrößerten Volumen der Kompensationsmembran ohne wesentlichen weiteren Druckanstieg aufgenommen wird. Bis zu diesem Druck wird die überschüssige Kompensationskraft durch den Druck des Kontakthebels auf die Kontakteinstell­ schraube 19 aufgenommen.

Das Manometer läßt sich nach Lösen der Mutter 23 um 380° in die günstigste Beobachtungslage drehen. Das Überschreiten dieses Drehwinkels wird durch den Anschlagstift 20 und den An­ schlag 22 verhindert.

Claims (6)

1. Druckmeßgerät zur Messung hoher Drücke von Medien in engen Leitungen und kleinen Gefäßen, insbesondere für zähe Medien und heiße Kunststoffschmelzen, mit einer kleinen dem Medium ausgesetzten Meßmembran zur Druckkraftübertragung, deren Durchbiegung einen auf einer Kompensationsmembran wirkenden Kompensationsdruck steuert und über einen Stempel die Meß­ membran in ihre Ausgangslage zurückführt, sowie mit einer Druckanzeige, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensations­ druck durch das Verdampfen einer Flüssigkeit mittels einer von der Durchbiegung der Meßmembran (1) gesteuerten elek­ trischen Heizung in einem dünnwandigen Metallkapillarrohr (14) mit großer Oberfläche und kleinem Volumen, dessen Wand als Heizleiter dient, erzeugt ist.

2. Druckmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der durch Ein-Aus-Regelung der Heizung ent­ stehenden Druckschwankungen und zur Verhinderung von Schwan­ kungen der Druckanzeige das dünnwandige Meallkapillarrohr (14) als flachgewalzte, federnde Spirale ausgebildet ist, die eine Verbindungsleitung zwischen einem Gehäuse für die Kompensationsmembran (12) und der Druckanzeige bildet.

3. Druckmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Auslenkung der Meßmembran (1) ausgelenkter Kontakthebel (3) zwischen Anschlägen liegt, die eine unzu­ lässig hohe Durchbiegung der Meßmembran (1) verhindern.

4. Druckmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der als Balgmembran ausgeführten Kompensationsmembran (12) ein mit einer eingeschlossenen vorgespannten Stützfeder versehener geschlossener Balgmembrankörper (18) unterge­ bracht ist, der bei Überschreiten des größten zulässigen Meßdrucks eine solche Volumenänderung erfährt, daß alle in dem Metallkapillarrohr (14) verdampfbare Flüssigkeit von dieser Volumenveränderung aufgenommen und ein unzulässiger Druckanstieg verhindert wird.

5. Druckmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen in den Kontakthebel (3) eingefrästen Ein­ schnitt eine federnde Lagerung des Kontakthebels geschaf­ fen und durch den Abstand des Schlitzes von der Spitze des den Kontakthebel beaufschlagenden Stempels (2) das Über­ setzungsverhältnis und durch Tiefe und Breite des Schlitzes die Federkonstante den jeweiligen Membrangrößen und Druckmeßbereichen angepaßt werden können.

6. Druckmeßgerät nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verändern der Einschraubtiefe des Stempels (2) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Meßmembran (1) und Kontakthebel (3) hergestellt und die Vorspannung der Meßmembran und die Ausgangslage des Kontakthebels einge­ stellt werden können.