DE3101985C2

DE3101985C2 - Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für Druckmeßwandler

Info

Publication number: DE3101985C2
Application number: DE3101985A
Authority: DE
Inventors: Roy K. Thousand Oaks Calif. Kodama; Hooshmand Oxnard Calif. Zaghi
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1980-02-04
Filing date: 1981-01-22
Publication date: 1985-07-25
Also published as: IT1170678B; JPS56124710A; US4597151A; IT8147691A0; DE3101985A1; JPH0544759Y2; JPH02110841U; GB2069885B; FR2475178A1; GB2069885A; FR2475178B1; CA1148379A

Abstract

Eine Strömungsmitteldruck übertragende Membrananordnung weist eine Membranträgerplatte (14) und eine Kraft übertragende Scheibe (16) auf, an denen der Außenflansch (46) bzw. der Innenflansch (48) einer ringförmigen Membran (44) angebracht ist, welche zwischen diesen beiden Flanschen einen konkaven Abschnitt (50) aufweist, welcher durch Strömungsmitteldruck-Einwirkung auf die Membran unter deren freier Verformung erzeugt worden ist, nachdem die Flansche hermetisch dicht angeschweißt worden sind (vgl. Fig. 5). Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für Druckmeßwandler, wobei eine dünne, anfänglich ebene ringförmige Metallmembran verformt, mit ihrem äußeren Randabschnitt an einer ebenen Stirnfläche eines Ringflansches einer Membranhalteplatte sowie mit ihrem inneren Randabschnitt an der ebenen Stirnfläche einer beweglichen Scheibe angeschweißt wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-AS 15 73 631 bekannt. Beim bekannten Verfahren wird die Membran im Gesenk vorgepreßt und hierauf in einer Spezialvorrichtung durch hydraulischen Druck von außen in die ideale Form gebracht, deren Querschnitt der Wölbung eines Halbkreises ähnlich ist. Eine solche vorgeformte Membran wird anschließend an der Stirnfläche des Ringflansches und gegebenenfalls auch an der Stirnfläche des beweglichen Gliedes angeschweißt. Ein solches Verfahren erfordert eine recht genaue Abmessungskontrolle der Membran, und nach dem Anschweißen der bereits vorgeformten Membran können Fehler als Folge von Kanteneffekten auftreten, welche die Linearität zwischen Druckeinwirkung und Membranvcrstcllung

beeinträchtigen und zu Hysteresisfehlern führen.

Nach anderen bekannten Vorschlägen sind zur Bereitstellung sehr genau bemessener, vorgeformter Membranen dünne, ringförmige Metaltrohiinge in teure, sehr sorgfältig geschliffene Formen hineingezogen worden, um dem Rohling die angestrebte, zusammengerollte oder wulstförmige Gestalt zu erteilen. In Abhängigkeit von der Tiefe der Einrollung können die Federrückstclleigenschaften des Metalls und ähnliche Faktoren,

to die Beibehaltung der Maßhaltigkeit der Membran und dergleichen recht unterschiedliche Werte aufweisen, was zu hohem Ausschuß führte und hohe Kosten für die

Herstellung brauchbarer Membranen bedingte. Öberall dort, wo man flanschfreie Membranen ein-

setzt«, waren exakte Abmessungen erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Schweißnaht zwischen Gehäuse und Membranrand hermetisch dicht war. Eine sehr kleine Fehlanpassung zwischen den Gehäuseabmessungen und den Membranabmessungen konnte die Ursache für eine Lücke sein oder konnte eine Faltung der dünnen Membran an ihren Kanten hervorrufen, was beides die Abdichtung beim Schweißen schwierig, wenn nicht unmöglich machte. Da eine Undichtigkeit im Anschluß an den Schweißvorgang, bevor die Vorrichtung noch nicht vollständig zusammengebaut war, nicht festgestellt werden konnte, bestand die Gefahr erheblicher Verluste an Zeit und Geld.

Weiterhin ist aus der US-PS 38 74 052 ein Verfahren zur Formung und zum Einbau einer auf Druckänderungen ansprechenden Membran bekannt Die resultierende Membrananordnung ist beispielsweise zur Betätigung eines Druckschalters in Waschmaschinen vorgesehen, um die Zufuhr von Wasser zu stoppen. Die bekannte Membran besteht aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie etwa Polyäthylen, Polypropylen oder einem anderen geeigneten, thermoplastischen Folienmaterial. Zur Verformung wird die Membran randseitig eingespannt, dann ein mildes Vakuum angelegt, das die Folie leicht durchbiegt, und daraufhin die weiterhin unter Spannung gehaltene Folie der Einwirkung von heißer Luft ausgesetzt, welche das thermoplastische Folienmaterial erweicht, so daß sich die Folie unter der Wirkung des milden Vakuums einer gegebenen Form anpaßt

Die Schrittfolge dieses bekannten Vorschlags, nämlich zuerst einspannen und anschließend verformen, ist ursächlich auf das thermoplastische Folienmaterial zurückzuführen, das nicht selbsttragend ist und keine eigene Rückstellkraft besitzt. Eine solche Folie ohne eigene

so Rückstellkraft ist für die Membrananordnung eines Druckmeßwandlers ungeeignet, weil dessen Metallmembran notwendigerweise eine bestimmte Federcharakteristik aufweisen muß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das gattungsbildende Verfahren weiterzubilden, um eine Membrananordnung mit verbesserter Linearität und geringeren Hysteresisfehlern zu erhalten.

Ausgehend von einem Verfahren der oben bezeichneten Art ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet daß ein ebener, ringförmiger Metallmembran-Röhling zuerst im Bereich seines inneren Randabschnittes an der Stirnfläche der Scheibe angeschweißt wird, daraufhin die Stirnfläche der Scheibe fluchtend zur Stirnfläche des Ringflansches ausgerichtet wird, daraufhin der Metallmembran-Rohlihg im Bereich seines äußeren Randabschnittcs an der Stirnfläche des Ringflanschcs angeschweißt wird, und schlicU-lieh der Mitlcnabschnilt des Mclullmcnihriiii-Knhlings

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unter der Einwirkung von Strömungsmitteldruck zu einer dauerhaft in den Ringraum zwischen Ringflansch und Scheibe hinein gewölbten, vorspannungslosen Membran verformt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vergleichsweise einfach durchführen und liefert Druck übertragende Membrananordnungen, die in einer Vielzahl verschiedener Flüssigkeitsdruck- und Gasdruck-Meßwandler einsetzbar sind; ferner sind die erfindungsgemäß hergestellten Membrananordnungen für die Anwendung in mechanischen Kraft-Meßwertwandlern geeignet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur dauerhaften Verformung des Mittenabschnittes der beidseitig angeschweißten Membran anschließend an eine erste Druckeinwirkung eine Glühung und daraufhin eine erneute Druckeinwirkung vorgenommen werden.

Hierdurch werden Spannungen beseitigt, und das Ansprechverhalten der Membrananordnung kann noch weiter verbessert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die zur Anlage an der Membran kommenden Kanten der Sitinvflächen mit einer Abrundung versehen werden. Erlindungsgemäß soll der Krümmungsradius (R) der Abrundung das 1,0- bis 3,Ofache der Membranschichtdicke (t) betragen, und nach der Verformung wird im Zwickel zwischen Membran und Abrundung eine weitere Schweißnaht erzeugt

Hierdurch können die Asymmetrie und andere Kanteneffekte noch weiter verringert werden.

Nach einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Memlbranträgerplatte bereitgestellt, welche einen nach oben abstehenden Ringflansch aufweist, der seinerseits eine ringförmige, radial ausgerichtete Dichtfläche aufweist. Zentrisch zu diesem Ringflansch wird eine Kraft übertragende Scheibe angeordnet, welche ebenfalls eine umlaufende, radial ausgenchtete Dichtfläche besitzt. Weiterhin wird ein ebener, ringförmiger Rohling für die Metallmembran bereitgestellt, dessen Außendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Ringflansch-Dichtfläche, und dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser dt* umlaufenden Dichtfläche. Dieser Rohling wird hernrl«itisch zuerst an der Scheibe und daraufhin hermetisch Sn der Stirnfläche des Ringflansches angeschweißt Daraufhin wird vorzugsweise eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt. Im Anschluß daran läßt man Strömungsmitteldruck auf den Rohling einwirken, so daß sich dieser frei nach unten in den offenen Ringraum zwischen Ringflansch und Scheibe hineinverformt. Es ist somit kein rückseitiges Formteil erforderlich. Um Kanteneffekte noch weiter zu verringern, kann eine weitere Schweißung an den Kanten des Ringflansches und der Scheibe durchgeführt werden. Es wird ein Zentrierwerk und ein Abstandshalter verwendet, um zweckmäßige axiale Abstände sowie eine konzentrische Anordnung zwischen dem Ringflansch und der Scheibe zu gewährleisten.

An den Stellen, wo sich die Membran nach unten neigt, um ihren konkaven Abschnitt auszubilden, sind die Kanten der Scheibe und des Ringflansche:s vorzugsweise abgerundet, um ein Abscheren der Membran zu vermeiden. Der Krümmungsradius dieser Abrundung entspricht vorzugsweise dem 1,0 bis 3,0fachem der Membranschichtdicke. Die hermetisch dichten Schweißnähte an dem Ringflansch und an der Scheibe befinden sich im Abstand zu diesen abgerundeten Kanten, jedoch kann, zur Verringerung der Asymmetrie und anderer Kanteneffekte, die Membran auch an den abgerundeten Kanten angeschweißt werden, nachdem der konkave Membrahabschnitt ausgebildet worden ist

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren mehr im einzelnen anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; es zeigt

ίο F i g. 1 in einer auseinandergezogenen, perspektivischen Darstellung die verschiedenen Bauteile und Befestigungsmittel zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Membrananordnung;

F i g. 2 anhand einer Schnittdarstellung verschiedene

Stadien des Herstellungsverfahrens, wobei sich links der Mittellinie die Membrananordnung in einem Zwischenstadium der Herstellung befindet und rechts der Mittellinie die Membrananordnung fertiggestellt ist, wobei die Druckmittelquelle zur Verformung der Membran schematisch mittsls gestrichelter Linien angedeutet ist; und

F i g. 3 die Darstellung eines Schni yis durch eine erfindungsgemäß vorgesehene Schweißverbindung zwischen der Membran und dem Ringflansch oder der Kraft übertragenden Scheibe.

Zu der in den Figuren dargestellten Membrananordnung gehören ein Ringflansch 38 mit einer ringförmigen, radial ausgerichteten Dichtfläche 40 auf einer Trägerplatte 14. Die Kraft übertragende Scheibe 16 weist ebenfalls eine umlaufende, radial ausgerichtete Dichtfläehe 42 auf. Zwischen diesen beiden Diclrtflächen befindet sich eine torusförmige Membran 44, welche ihrerseits einen ersten, radial nach außen abstehenden Flansch 46 aufweist, der sich an der ringförmigen Dichtfläche 40 befindet und dort hermetisch dicht angeschweißt ist; weiterhin weist die torusförmige Membran 44 einen zweiten, radial nach innen abstehenden Flansch 48 auf, der sich an der umlaufenden Dichtfläche 42 befindet und dort hermetisch dicht angeschweißt ist Einstückig mit diesen beiden Flanschen 46,48 ist ein konkaver, torusförmiger Mittelabschnitt 50 ausgebildet, der sich nach unten unter die Ebene der Dichtflächen 40,42 erstreckt

Die Membran 44 ist in besonderer Weise geformt worden. Hierzu wird beispielsweise ein dünner, ringförmiger, ebener Rohling 52 aus einem biegsamen Material wie etwa rostfreier Stahl (17-7 PH) bereitgestellt Bei der Herstellung dieses Rohlings 52 werden relativ weite Toleranzen hinsichtlich der Abmessungen eingehalten, so daß der Außendurchmesser 52a des Rohlings ausreichend größer ist als der Innendurchmesser der ringförmigen Dichtfläche 40, damit man eine umlaufende hermetisch dichte Schweißnaht erzeugen kann. Weiterhin ist der Innendurchmesse: 520 des Rohlings 52 ausreichend xltiner als der Außendurchmesser der umlaufenden Dichtfläche 42, damit man wiederum eine solche umlaufende Schweißnaht herstellen kann. Irj Verlauf des Zusammenbaus wird der Rohling 52 hermetisch dicht an der Scheibe 16 im Bereich des Umfangs 54 angeschweißt.

&o Wie das dargestellt ist, weist die Scheibe 16 an ihrer Unterseite eine napfförmige Gegenbohrung 56 auf. Es ist ein Zentrierstopfen 58 vorgesehen, der eineii nach oben abstehenden Stempel 60 solcher Abmessungen besitzt, daß dieser Stempel 60 in die Gegenbohrung 56 an der Scheibe 16 paßt. Perner weist der Stopfen 58 eine Anzahl axial ausgerichteter flacher Abschnitte 62 längs der Stempelseiten auf, welche flachen Abschnitte 62 so angeordnet sind, daß sie mit den flachen Schenkeln 64

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eines Abstandhaltcrs 66 passend angeordnet werden können, jeder der Schenkel 64 erstreckt sich von einer Basis 68 nach eben und endet in einer radial nach außen abstehenden Abstandshalterzungc 70. deren Dicke dem angestrebten Abstand zwischen Scheibe 16 und Anschlag 17 entspricht, sofern keine Verformung vorliegt. Die Herstellung dieses Abstandhaltcrs 66 erfolgt vorzugsweise durch Ausstanzen aus geeignetem Metallblech.

Im Anschluß an das Anschweißen des Rohlings 52 an die Scheibe 16 wird der Abstandshalter 66 in die Bohrung 36 eingeführt und der Zentrierstopfen 58 wird in den Abstandshalter 66 eingesetzt. Die Scheibe wird daraufhin über den Stempel 60 in der Bohrung 56 an den Zentrierstopfen 58 angepaßt Daraufhin wird der Roh- is ling hermetisch dicht an der ringförmigen Dichtfläche 40 längs des Umfanges 72 angeschweißt. Daraufhin wird in diesem Stadium der Herstellung vorzugsweise eine Dichtigkeitsprüfung der geschweißten Anordnung durchgeführt, um eine erneute Schweißbehandlung vorzunehmen, sofern dies erforderlich ist. Nachdem die Dichtigkeitsprüfung erfolgreich war, oder gegebenenfalls eine erneute Schweißung durchgeführt worden ist, wird jegliches überschüssige Material am Rohling 52 abgeschnitten und entfernt

Die zusammengeschweißte Anordnung wird daraufhin in einer Druck ausübenden Einrichtung 74 angeordnet, wie das schematisch in F i g. 2 angedeutet ist. Die Einwirkung von Strömungsmitteldruck auf die obere Oberfläche des Rohlings 52 bewirkt dessen freie Verformung nach unten in den Zwischenraum 76 hinein, der während dieser Druckeinwirkung zwischen der Scheibe 16 und der Trägerplatte 14 besteht Es ist keine rückwärtige Unterstützung oder ein entsprechendes Formteil erforderlich, da sich der Rohling selbsttätig zu dieser torusförmigen Gestalt verformt In Abhängigkeit von der angestrebten Einrolltiefe und den Dehnungseigenschaften des Rohlingsmaterials kann eine Zwischenglühung und eine erneute Druckanwendung erforderlich sein. Da der Rohling 52 über die Streckgrenze seines Materials hinaus beansprucht wird, ist eine Federrijckstellkraft des Rohlings weitgehend beseitigt, d. h, die Membran 44 wölbt sich vorspannungslos in den Ringraum zwischen Ringflansch und Scheibe hinein. Die Abwesenheit einer solchen Federrückstellkraft bedeutet, daß die Innenkante und die Außenkante auf der gleichen Höhe gehalten werden können, sofern keine Verformung bzw. Verbiegung vorliegt. Das heißt, solange keine Verformung vorliegt, ist die Membran nicht vorgespannt bzw. belastet Das bedeutet wiederum, irgend- so eine geringfügige thermische Ausdehnung der Bauteile verursacht keine Verschiebung der Nullstellung der Scheibe 16.

Anhand der F i g. 3 ist dargestellt, wie die Kanten der Dichtflächen 40,42 vorzugsweise abgerundet sein können, um eine Abscherung der dünnen Membran zu vermeiden. Im einzelnen ist hier ein Krümmungsradius R der Abrundung von angenähert dem 1,0 bis 3,0fachen der Schichtdicke »t« der Membran vorgesehen. Bei der tatsächlichen Erprobung hat sich ein Krümmungsradius R in der Größe der !^fachen Schichtdicke »t« als besonders zweckmäßig erwiesen und wird daher vorzugsweise angewandt Zur weiteren Herabsetzung der Asymmetrie und anderer Kanteneffekte werden die umlaufenden Schweißnähte 78,80 dort ausgebildet, wo sich die Membran von den Seiten der Scheibe 16 bzw. der Trägerplatte 14 wegkrümmt Schließlich werden von der Basis 68 die Schenkel 64 abgeschnitten, so daß der Zentrierstopfen 58 und diese Schenkel aus der Bohrung 36 herausgenommen werden können.

Bei einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäOen Verfahrens zur Erzeugung einer Mcinbrananordnung für Druckmcßwandler, die unter einem Druck einer Wassersäule von 254 cm eine Mittenverformung von 0,09652 mm liefern soll, ging man von einem 0,9398 mm dicken Rohling aus rostfreiem Stahl (17-7 PH) aus. Die Scheibe 16 und die Trägerplatte 14 wurden maschinell aus rostfreiem Stahl (17-7 PH bzw. 17-4 PH) gefertigt, mit einem Durchmesser von 25,4 mm bzw. 38,1 mm.

Auf die obere Oberfläche des Rohlings wurde 30 see lang ein Druck von 143 MPa ausgeübt, anschließend glühte man die Anordnung 1,0 h lang bei angenähert 1040⁰C; daraufhin wurde erneut 30 see lang ein Druck von 143 MPa ausgeübt, bis sich eine Einrolltiefe νυη 2.032 mm ausgebildet hatte. Bei dieser fertigen Anordnung betrug die Abweichung von der Linearität weniger als 0,1% des vollen Meßbereichs; in gleicher Weise betrugen die Hysteresisfehler weniger als 0,1% des vollen Meßbereichs. Die Abweichungen vom Nullpunkt aufgrund von Wärmeschwankungen der Vorrichtung betrugen weniger als 0,2% des vollen Meßbereichs.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

I. Verfahren zur Herstellung einer Membrananordnung für Druckmeßwandler,
wobei eine dünne, anfänglich ebene, ringförmige Metalbnembvan verfortnt, mit ihrem äußeren Randabschnitt an einer ebenen Stirnfläche eines Ringflansches einer Membranhalteplatte sowie mit ihrem inneren Randabschnitt an der ebenen Stirnfläche einer beweglichen Scheibe angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
ein ebener, ringförmiger Metallmembran-Rohling (52) zuerst im Bereich seines inneren Randabschnittes (48) an der Stirnfläche (42) der Scheibe (16) angeschweißt wird;

daraufhin die Stirnfläche der Scheibe fluchtend zur Stirnfläche (40) des Ringflansches (38) ausgerichtet wird;

daraufhin der t-i'-tallmembran-Rohling im Bereich seines äußeren fe=*ndabschnittes (46) an der Stirnfläche des Ringflansches angeschweißt wird; und schließlich der Mittenabschnitt (50) des Metallmembran-Rohlings unter der Einwirkung von Strömungsmitteldruck zu einer dauerhaft in den Ringraum zwischen Ringflansch und Scheibe hineingewölbten, vorspannungslosen Membran (44) verformt wird.

Z.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur dauerhaften Verformung des Mittenabschnittes ("/O) anschließend an eine erste .Druckeinwirkung eine Glühung und daraufhin eine erneute Druckeinwirkung vorgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zur Anlage an der Membran kommenden Kanten der Stirnflächen mit einer Abrundung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) der Abrundung das 1,0- bis 3,0fache der Membran-Schichtdicke ftj beträgt; und
nach der Verformung im Zwickel zwischen Membran (44) und Abrundung eine weitere Schweißnaht (78,80) erzeugt wird (vgl. F i g. 3).