DE3130118A1

DE3130118A1 - Differentialdruckuebertrager

Info

Publication number: DE3130118A1
Application number: DE19813130118
Authority: DE
Inventors: Gurnam 92507 Riverside Calif. Singh
Original assignee: Bourns Instruments Inc
Current assignee: Bourns Instruments Inc
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1981-07-27
Publication date: 1982-03-18
Also published as: FR2487516A1; GB2080546B; GB2080546A; MX150732A; JPS5752836A; FR2487516B1; CA1161273A

Description

Differentialdruckübertrage

Die Erfindung bezieht sich auf Differentialdruckübertrager im allgemeinen und auf Verbesserungen an Übertragern, die piezoresistive Verformungsmeßelemente an einem auf Kraft ansprechenden Auslegerarm verwenden, im besonderen.

Es sind verschiedene Druckübertrager bekannt, bei denen eine starre Stange oder ein starrer Draht eine druckempfindliche Membran mit einem Auslegerarm verbindet, auf dem sich piezoresistive Meßelemente befinden. Beispiele solcher Einrichtungen sind in den US-Patentschriften 4. 161.887; 4.203.327; 4.058.788; 3.559.488; 3.389.362 und 3.161.488 beschrieben.

Bei diesen Einrichtungen wird die Bewegung der Membran in Abhängigkeit vom angelegten Druckdifferential über ein starres Verbindungsglied auf den Arm übertragen, wodurch dieser sich biegt. Die Meßelemente sind elektrisch in eine Wheatston-Brücke geschaltet, so daß das Verbiegen des Arms infolge der piezoresistiven Eigenschaften der Meßelemente eine Änderung der Ausgangsspannung bewirkt, die dann in eine bekannte zugehörige Signalverarbeitungsschaltung gegeben wird, die ein Lesen des abgetasteten Differentialdrucks ermöglicht.

Die bisherigen Übertrager dieser Art benutzen einen Arm, der verhältnismäßig steif oder im Vergleich mit der Abtastmembran unkompliziert ist. Der Vorteil einer solchen Konstruktion ist der, daß die sich ergebende geringe Vollskalenablenkung des Armes ein verhältnismäßg hohes

Verhältnis zur Ablenkung ergibt, so daß bei verhältnismäßig geringen Armablenkungen eine entsprechende Signalquälität erzielt wird. Während diese Konstruktion zum Messen von verhältnismäßig hohen Differentialdrücken geeignet ist, ergibt das kleine "Verhältnis von Ablenkung zur Kraft dieser Geräte ein kleines Signal-Kraftverhältnis, das solche Geräte kleiner als optimal für geringe Differentialdruckbereiche macht, d.h. in der Größenordnung von 70 bis 350 kg/cm liegt. Ferner muß bei den bisherigen Geräten große Sorgfalt zum thermischen Anpassen beachtet werden, wobei alle druckempfindlichen und auf Druck ansprechenden Elemente und Glieder so genau wie möglich gemacht werden müssen, da Wirkungen der Umgebungstemperatur, die auch eine kleine Armablenkung verursachen, eine herabgesetzte Signalgenauigkeit ergeben. Kurz, diese Geräte zeigen ohne genaues thermisches Anpassen der Elemente und wegen der Auswirkungen der Umgebungstemperatur kein verhältnismäßig gutes Signal-Störgeräuschverhältnis. Die Forderung nach dieser thermischen Anpassung erhöht jedoch die Kosten dieser bisherigen Geräte.

Außerdem müssen zum Schutz dieser Geräte bei Überdrucken diese Elemente so konstruiert sein, daß sie sehr enge Toleranzen aufweisen. Wenn beispielsweise Überdruckstops beim doppelten vollen Skalenbereich auftreten und der ganze Skalenbereich klein ist, müssen die Toleranzen bei den Überdruckstopmechanismen proportional eng sein, um die geforderte Überdruckfunktion einzuhalten,

Schließlich sind bei diesen Geräten mit der Kombination eines steifen Arms und einer nachgiebigen Blende der Bereich des meßbaren Differentialdrucks durch die physikalischen Charakteristiken (d.h. die Steifigkeit) des

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Arms gegeben. Diese Geräte arbeiten nur über einen verhältnismäßig engen Druckbereich. Deshalb können unterschiedliche Druckbereiche nur durch Ändern des Arms in einen solchen mit einer anderen Steifigkeit angepaßt werden. Dieser Faktor ergibt hohe Kosten und Unbequemlichkeit bei der Benutzung dieser Geräte bei unterschiedlichen Druckbereichen, da der Arm gewöhnlich das teuerste Element wie auch das am schwierigsten zu ersetztende Element ist.

Die übliche Näherung ist es somit, mehrere Übertrager an Hand zu haben, die je bei einem anderen Druckbereich optimal arbeiten, wo eine große Vielfalt von Druckbereichen erwartet wird.

Unter der Notwendigkeit eines geringen Anpassungsarmes besteht in Kombination mit einer nachgiebigen Membran bei den bisherigen Geräten die Tatsache, daß der Arm bei diesen Geräten so konstruiert ist, da£[ das Biegen des Armes auf die Kraft an der Membran über, die Länge des Armes verteilt und nicht im Gebiet der Meßelemente konzentriert wird. Das Ergebnis ist ein beachtlicher Verlust an Leistung bis zu etwa 50 Prozent. Diese Geräte zeigen somit ein verhältnismäßig niedriges Verhältnis von Signal zu Kraft, was eine Konstruktion erfordert, bei der die Membrankräfte am Arm gesammelt werden, um ein angemessenes Ansprechen der Meßelemente zu erhalten. Dieses Kriterium wird durch die Verwendung einer Membran erzielt, die im Vergleich mit dem Arm sehr nachgiebig ist. Der Arm, der verhältnismäßig steif ist, zeigt, eine hohe Belastung bei einer gegebenen Ablenkung, so daß das erwähnte Verhältnis von Signal zu Ablenkung erreicht wird. Die bisherigen Geräte erzielen ein angemessenes Ansprechen der Belastungsmeßelemente über einen Mechanis·=

·* · ·- -— J ι ο U ι ί ο - 6 -

mus, der-von einem Arm geringer Nachgiebigkeit abhängt, -.was zu einer' nicht optimalen Druckbereichsdurchführung an den anderen Begrenzungen der erwähnten Konstruktion des steifen Armes führt. Deshalb ist ein Differentialdruckübertrager erforderlich, der eine angemessene Signälqualität gegenüber einem weiten Bereich von Differentialdrücken erzielt und der Genauigkeit und Überdrucktoleranzen zuläßt.

Darüber hinaus muß das Gerät solche Fähigkeiten in der Konstruktion aufweisen, die selbst wirtschaftlich hinsichtlich der Herstellungskosten ist. Schließlich muß ein solches Gerät nahe zu perfekte Arbeitsleistungen erzielen.

Die Erfindung verwendet einen besonders konstruierten, hochnachgiebigen Arm, der mit einer verhältnismäßig steifen Abtastmembran kombiniert ist, und einen Differentialdruckübertrager ergibt, der die erwähnten Forderungen erfüllt. Kern der Erfindung ist ein Auslegerarm mit einer Ausbildung für konstante Beanspruchung, wodurch das Biegen des Arms im Gebiet der Belastungsmeßsensoit.en konzentriert wird. Diese Ausbildung ermöglicht somit nahezu perfekte Arbeitsleistungen, indem praktisch alle Kraft, die von der Membran auf den Arm übertragen wird, in eine Belastung umgewandelt wird, die wiederum durch die Meßelemente ein elektrisches Signal ergibt. Der Arm liefert somit ein großes Verhältnis von Signal zur Kraft, das wiederum die Verwendung eines Armes hoher Nachgiebigkeit in Verbindung mit einer Membran niedriger Nachgiebigkeit zuläßt.

Der Vorteil eines Armes mit hoher Nachgiebigkeit sind mannigfaltig. Zunächst, und vielleicht am wichtigsten

als Ergebnis der hohen Nachgiebigkeit des Arms spricht dieser auf sehr geringe Kräfte an, die von der den Druck abtastenden Membran 26 über den Strebendraht 66 übertragen wird. Somit spricht der Arm auf niedrige Differentialdrücke an, wenn eine ausreichend empfindliche (d.h. nachgiebige) Membran verwendet wird.

Zweitens ist, weil ein Arm mit hoher Biegsamkeit eine größere Vollskalenablenkung als ein starrer Arm liefern kann oder einen weniger Biegsamen Arm ohne Überschreiten der optimalen Belastungsgrenzen des Materials verwendet wird, ein größeres Verhältnis von Signal zu Ablenkung möglich.

Somit ist er für Fehler durch Übergangsursachen wie z.B. Änderungen der Umgebungstemperatur weniger empfindlich. In dieser Hinsicht stellen Ablenkungen durch Umgebungstemperaturänderungen einen verhältnismäßig geringen Anteil der ganzen Skalenbereiche dar, und dadurch ist unter diesen Umständen eine hohes Signal-Störgeräusch-Verhältnis gewährleistet.

In ähnlicher Weise werden Toleranzen beim Überdruckstopmechanismus weniger kritisch mit einem Arm mit großem Skalenbereich. Bei Überdruck liegen somit die Beanspruchungen, die im Arm erzeugt werden in den Elastizitätsgrenzen des A_rms. Deshalb können Überdruckstops, beispielsweise auf den doppelten Vollskalenbereich, leicht eingestellt werden, um normale Herstellungstoleranzen zuzulassen, während die Beanspruchung~des Armes gut innerhalb der Elastizitätsgrenzen des Armes gehalten werden. Deshalb ist es für die übliche Bearbeitung der Elemente auf genaue Toleranzen nicht notwendig, die maximale Armablenkung stark einzuengen, und dadurch werden die Herstel-

' i ' ■'* , VV

O ι J ο i i υ

lungskosten geringer.

Schließlich, ermöglicht die Verwendung eines sehr
biegsamen Arms einen weit größeren Arbeitsbereich
für den Arm. Der Arbeitsbereich des Übertragers ist
somit durch die Steifigkeit (Biegsamkeit) der Abtastmembran begrenzt. Wo der Übertrager in unterschiedlichen Druckbereichen benutzt werden soll, muß deshalb nur die Membran geändert werden, wobei höhere Druckbereiche durch eine weniger biegsame (steifere) Membran angepaßt werden. Dies ist von Vorteil, weil die Membran. ein verhältnismäßig billiges Element ist und bequemer ausgetauscht werden kann als der Arm.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert. In diese ist:

Figur 1 ein schematischer Querschnitt des Differentialdruckübertragers nach der Erfindung;

Figur 2 eine detaillierte Perspektive eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Auslegerarms, der
nach der Erfindung verwendet wird;; und

Figur 3 eine detaillierte Perspektive eines anderen Ausführungsbeispiels des Auslegerarms nach der Erfindung.

Der Differentialdruckübertrager 10, der in Figur 1 im Querschnitt gezeigt wird, besitzt einen Körper 12 aus vorzugsweise rostfreiem Stahl 17-4· oder 17-7» der gesehen von den Seiten, im allgemeinen kreisrund ist.
Die Oberseite des Körpers 12 besitzt eine flache obere

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Fläche 14 mit einer schrittweisen öffnung 16, in die ein Kopfteil 18 paßt, das noch im einzelnen beschrieben werden wird.

In einem Einschnitt in einer Seite des Körpers 12 befindet sich eine Abtastzelle 24, auf die eine runde geriffelte Abtastmembran 26 aufgesetzt ist. Eine erste Isoliermembran 28, die mit einem Abstandsring 29 (in Figur 1 im Querschnitt zu sehen) kombiniert ist, ist mit dem Körper außerhalb der Abtastmembran 26 verschweißt und ergibt zwischen der ersten Isoliermembran 28 und der Abtastmembran 26 eine erste Füllkammer 30. Die kombinierte Verschweißung der Isoliermembran 28 und des Abtastrings 29 mit dem Körper 12 ergibt eine Randverschweißung 33» die außerhalb eines Ringes 31 liegt, der in Kombination mit einer Drucköffnungsplatte 35 eine Eingangsdrucköffnung oder Kammer 37 des Übertragers bildet.

Die Aufgabe der Isoliermembran 28 in Kombination mit dem Ring 31 und der D_rucköffnungsplatte 35 ist es, eine korrosionsfreie Schranke .^wischen der Abtastzelle 24 und dem Strömungsmittel zu bilden, dessen Druck vom Meßübertrager gemessen werden soll. Der Aufbau dieser korrosionsfreien Schranke unterscheidet sich von den bisherigen Konstruktionen, bei denen die Isoliermembran, die an den Abtastkörper angeschweißt ist, sich innerhalb des Ringes befindet. Die bisherige Konstruktion erfordert eine zusätzliche Rückenplatte oder dergl., die aus dem selben Material wie die Isoliermembran bestehen muß, damit die Schweißung korrosionsfrei wird,, Diese zusätzliche Rückenplatte oder dergl. verursacht bei der bis= herigen Technik zusätzliche Kosten. Andererseits er-

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fordert die Konstruktion nach, der Erfindung (Isoliermembran und Abstandsring außerhalb des Ringes verscheißt) keine Rückenplatte oder dergl. Die Kammer JO wird durch eine Füllöffnung 32, die mit einer Kugeldichtung 34· verschlossen ist, mit einer nicht zusammendrückbaren Flüssigkeit z.B. öl gefüllt. In ähnlicher V/eise wird an der gegenüberliegenden Seite des Körpers 12 zwischen einer zweiten Isoliermembran und der Innenseite der Abtastmembran 26 eine zweite Kammer 4-0 gebildet, die auch mit derselben Flüssigkeit wie die erste Kammer 30 gefüllt und mit einer Kugeldichtung verschlossen wird.

Durch Verwenden zweier Drucköffnungsplatten 35 in Kombination mit zwei Ringen und vier (nicht dargestellten) Schrauben und Muttern werden Eingangsdruckkammern gebildet. Die Platten 35 besitzen entsprechende Eingänge. Bei angelegtem Differentialdruck bewegt die Abtastmembran 26 über die Eingangsdruckkammern 37a und 37b den Arm 60 wegen der nicht mit zusammendrückbarer Flüssigkeit gefüllten Kupplung.

Die Eingangsdrucköffnungen 37 dienen zum Anlegen des (zu messenden) Differentialdrucks an den Übertrager. Die Öffnungen 37a und 37b befinden sich, an der Nieder- bzw. an der Hochdruckseite des Übertragers.

Die Abtastzelle 24 besitzt ein symmetrisches Paar von abgestuften Einschnitten 54- und 56» wobei sich einer an Jeder Seite der Zelle befindet. Im innersten Teil des Einschnitts 54- befindet sich, ein Dichtungsring 58a und im Einschnitt 56 ein Dichtungsring 58» was noch beschrieben werden wird.

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Der Kern der Erfindung ist ein biegsamer, konstant belastbarer Auslegerarm 60a (Figur 2) oder 60b (Figuren 1" und 3)· Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe der Figur 2 erläutert.

Der Arm 60a weist zwei Teile auf, nämlich einen ersten Teil 61 von halbrundem Querschnitt, der vom Boden des Kopfstücks 18 abgeht, und einen zweiten Teil 62 von rechteckigem Querschnitt, der vom ersten Teil entfernt liegt und mit diesem durch ein Silicanchip 64- verbunden ist, das (z.B durch Epoxy) an die Elemente 61 und 62 geklebt ist. Zum optimalen thermischen Anpassen sind beide Teile 61 und 62 vorzugsweise aus derselben Legierung wie der Körper 12, d.h. aus rostfreiem Stahl 17-4 oder 17-7.

Am freien Ende des Armteils 62 ist ein Strebendraht 66 angebracht, der von diesem senkrecht abgeht und vorteilhafterweise aus demselben Material wie der Abtaster 24- besteht, wiederum gesehen hinsichtlich der thermischen Anpassung.

Das; Silikonchip 64- enthält eine hoch-resistive N-Unterlage mit einer Dicke von etwa 12,5./U. In den Arm werden resistive P-Elemente diffundiert, um piezoresistive Belastungsmeßelemente 68 zu erhalten, die vorteilhafterweise so angeordnet sind, daß sie zwei ganze Brückenschaltungen auf derselben Seite des Chips 64 ergeben. Dies wird erreicht, wenn die P-Elemente 68 entlang der <110>- Richtungen auf eine Platte in der <100> -Ebene diffundiert sind, wobei die Platte so geschlitzt ist, daß das Chip 64 ausgerichtet werden kann₅ wenn es an die Armteile 61 und 62 gebunden ist, .wobei die Meßelemente in Längs- und Querrichtung liegen.

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Die Brückenschaltungen mit dem Meßelementen 68 werden mit metallisierten Kontaktfedern 70 zum Verbinden durch Drähte 72 mit den Unterteilen der Klemmen 74· versehen, die durch das Kopfstück 18 hindurchgehen. Am anderen Ende der Klemmen 7^- sind Drähte 76 angebracht, die durch das Rohr 22 hindurch und entsprechende (nicht dargestellte) Verbinder in die Signalverarbeitungsschaltung hineinführen.

Die Strebendrähte (Figur 1) gehen durch ein Strebendrahtgelenk 78 der Abtastmembran 24- hindurch. Am Draht 66 befinden sich zwei Überdruckstops 80a und 80b, die an Dichtungsringen 58a bzw. 58b anliegen, um einen Überdruck des Arms bei Überdrucken von der linken bzw. rechten Seite zu verhindern.

Der Arm 60 a kann vorteilhafterweise so gewählt sein, daß er eine Neebetriebsbelastung von 0,34-0 cm pro cm und einen Nennskalenbereich von 6,5/U aufweist. Dies ergibt ein Verhältnis von Signal zu Abbiegung von etwa 0,052 cm pro 1/U, was sehr niedrig ist und eine hohe Biegsamkeit im Vergleich mit bisherigen Armen anzeigt. Diese hohe Biegsamkei ist ein Ergebnis, mindestens in einem wesentlichen Teil, der verringerten Dicke des Silikon-Chips 64· im Vergleich mit dem restlichen Arm. Beim gegebenen Beispiel (das nur zur Erläuterung dient) ist das Chip 64· etwa 12,5/U dick, während die Armelemente 61 und 62 eine Dicke von etwa 65/U aufweist.

Diese verringerte Dicke des Chips ist im Vergleich mit dem Arm in anderer Hinsicht von Bedeutung. Weil die Länge des Chips verhältnismäßig klein im Vergleich mit der Gesamtlänge des Momentarms ist (üblich weniger als 25%) und weil nahezu alle Biegungen des Arms im Gebiet

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des Chips auftreten (wegen der stark verringerten Dicke) schwankt die Beanspruchung über das ganze Gebiet der Meßelemente nicht stark und tatsächlich kann sie über dieses Gebiet als etwa konstant angesehen werden, das somit praktisch alle Beanspruchungen durch den Arm liefert. Weil die Beanspruchung im Gebiet der Abtastelemente konzentriert ist, zeigt der Arm ein verhältnismäßig hohes Verhältnis von Signal zu Kraft, d.h. in der Größenordnung von etwa 16. Beispielsweise wird ein voller Skalenbereich, der eine Beanspruchung (oder ein Signal) von 0,34- cm pro cm liefert, mit einer angelegten Kraft von etwa 21 mg erzeugt und dadurch wird das erwähnte Verhältnis von 16 erhalten. Dieser hohe Betriebsleistungsfaktor (der in dem Sinne, daß nahezu alle angelegte Kraft in eine Beanspruchung an den Meßelementen als nahezu vollkommen angesehen wird) kann angemessene Signalwerte, trotz des niedrigen Verhältnisses von Signal zu Abbiegung (hohe Biegsamkeit) erzielen.

Weil der Arm sehr biegsam ist, kann die richtige Wahl der Abtastmembran einen Übertrager ergeben, der auch bei sehr niedrigen Differentialdrücken, d.h. in der

Größenordnung von 0,07 kg/cm oder darunter annehmbare Ergebnisse zeitigt. Das Hauptkriterium für die Wahl der richtigen Membran ist das Verhältnis der Membransteifig keit zur Armsteifigkeit (die Steifigkeit ist hier die entgegengesetzte oder umgekehrte Biegsamkeit).

Jede Membran besitzt einen "Formfaktor" o£- , der durch die jeweilige Riffelung der Blende gegeben ist_o

./13a

Insbesondere kann ö< , wie folgt, "bestimmt werden

worin j das Verhältnis des Abstahdes an der Membranflache zwischen entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender Riffelungen ( z.B. Spitze - Spitze) zur ?/ellenlönge aus der Riffelung ( der Abstand in gerader Linie zwischen ensprechenden Punkten aufeinanderfolgender Riffelungen ) und k das Verhältnis des Trägheitsmoments eines Streifens entlang einem Radius der geriffelten Membran zum Trägheitsmoment eines flachen Streifens mit dreselben Dicke und Länge wie der geriffelte Streifen. Aus der vorstehenden Definition des Formfaktors zu erkennen , daß sowohl j als auch k bei einer flachen (ungeriffelten) Membran gleich 1 und für eine solche MembranDc = 1 ist, während eine geriffelte Membran ein (X besitzt, das größer als 1 ist, wobei der je-

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^ 1

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ύ υ ι ι ό

weilige Wert durch die Geometrie der Riffelungen gegeben, ist. Für übliche Membranen, die bei Differentialdruckübertragern verwendet werden, liegen die oc-Werte gewöhnlich zwischen 5 und 30·

Für diese Membranen ist die gesamte von einem angelegten Druck erzeugte Kraft (die gesammelte Kraft) gegeben durch die Formel:

(1) F₀ . JL R²P ;

worin F_Q die gesammelte Kraft, R der Membranradius (bei kreisrunden Membranen) und P der an die Membran angelegte Druck ist. Um ein angemessenes Signal vom Übertrager zu erhalten, muß die gesammelte Kraft in eine
Kraft F₀ umgewandelt werden, die an den Arm angelegt
wird (angelegte Kraft), und als Bruch der gesammelten Kraft ausgedrückt wird, also

(2) U) - F₀/U) ,

worin Cü eine Zahl gleich oder größer als 1 ist. Beim Auflösen von LO bekommt man:

(3) Cu « F_c/F_a .

Es wurde empirisch ermittelt, daß bei Membranen mit
Werten von oO von 6 und darüber der Wert von uo nicht größer als 2,6 ist. Dies bedeutet, daß bei diesen Mem branen 2.6 Einheiten gesammelter Kraft an der Membran

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mindestens eine Einheit am Arm angelegter Kraft erzeugt wird, ( die Kraft an der Membran wird über den Strebendraht 66, der mit der Mitte der Abtast- membran 28 verbunden ist, auf den Arm übertragen).

•Es ist zu erkennen, daß bei kleineren Membranbiegungen die Abbiegewert etwa proportional der Steifigkeit der Membran und etwa umgekehrt proportional der Steifigkeit der Membran ist. Da die an den Arm angelegte Kraft etwa das 3,8 -fache der gesammelten Kraft ist, damit der Arm den ganzen Skalenbereich für eine gegebene gesammelte Kraft ausgelegt ist, muß der Arm eine Steifigkeit von etwa dem 3,8-fachen der Membransteifigkeit aufweisen. Umgekehrt muß der Arm eine Biegefähigkeit mindestens von dem 2,6-fachen der Membran besitzen.

Bei Verwendung der erwähnten Beziehung zwischen Armbiegefähigkeit und ^embranbiegefähigkeit kann der ganze Skalenbereich mit Differentialdrücken von 0,07

kg/cm bei dem beschriebenen Arm erzielt werden. Die hohe Biegsamkeit des Arms ist somit mindestens um das 2,6-fache größer als die verhältnismäßig hohe Biegsamkeit der Abtastmembran zum Messen solcher niedriger Differentialdrücke. Beim Messen höherer Drücke werden steifere Membranen benutzt, so daß der Biegefähigkeitsfaktor notwendigerweise größer als das 2,6-fache sein muß. Auf diese Weise kann ein Bereich von Differential-

drücken von 0,07 bis A-,2 kg/cm durch die richtige Wahl der Membran benutzt werden.

Insbesondere, wo niedrige Differentialdrücke gemessen werden, müssen die Isoliermembrane 28 und 42 eine vernachlässigbare Steifigkeit im Vergleich mit der Ab-

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tastmembran 26 aufweisen.

Figur 3 zeigt im einzelnen ein anderes Ausführungsbeispiel des Arms, nämlich den Arm 60b in Verbindung mit dem Übertrager nach Figur 1. Der Arm 60b ist ein einstückiges Metalelement, vorzugsweise rostfreier Stahl 17-4 oder 17-7 O7# Chrom, Ψ/ο - 7% Nickel, ausscheidungshärtbar) und ist an einem Ende mit dem Kopfteil 18 verbunden. Das freie Ende des Arms 60b trägt einen Strebendraht 66 wie beim vorher beschriebenen Beispiel.

Der Teil des Arms 60b nahe dem Kopfstück 18 ist verhältnismäßig dünn und enthält eine geringe Eindrückung 88 und ein flaches geringeres Dickengebiet 90, das nicht mehr als etwa ein Drittel der Gesamtlänge des Armes einnimmt und nicht mehr als ein Drittel der Dicke des Rests des Arms aufweist. Durch dieses besondere Beispiel besitzt, wenn der Körper des Arms, der einen halbrunden Querschnitt aufweist, eine maximale Dicke von etwa 65/U und das geringere Dickengebiet 90 soll vorzugsweise nicht mehr als 21 al dick sein.

An den Arm in einem geringeren Dickengebiet befinden sich zwei Paare piezoelektrischer Meßelemente 82, je ein Paar an jeder Seite (nur ein Paar Meßelemente 82 ist der Übersichtlichkeit halber dargestellt). Die Meßelemente an jeder Seite des Arms sind in eine Halbbrücke geschaltet. Sie sind mit metallisierten Kontaktfedern 84 zum Anschließen der Drähte 72 versehen, die zu den Klemmen 74 führen. Eine Klemmenfeder 86 befindet sich in der Vertiefung 88 auf einer Seite des Arms und eine andere (nicht dargestellte) Anschlußfeder befindet sich an der gegenüberliegenden Seite des Arms von der Feder 86»

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Mit der beschriebenen Ausbildung kann ein Arm konstruiert werden, der beispielsweise einen Skalenbereich von 6,5/u mit einer Beanspruchung von 0,35 cm/cm aufweist und ein Signal - Abbiege-Verhältnis von etwa 0,35 cm/cm pro /U liefert. Mit einer Kraft von 70 Gramm kann ein Vollausschlag erzielt werden, der ein Signal-Kraft-Verhältnis von 5 aufweist.

Beim Arm 60a nach Figur 2 werden alle Beanspruchungen durch das Biegen des Arms in dem verringerten Dickengebiet 90 konzentriert, das Dickengebiet 90 des Arms 60b ergibt ähnlich dem Chip 64 mit verringerter Dicke des Arms 60a eine hohe Biegsamkeit des Arms, während auch, angemessene Signalwerte erzielt werden können, auch bei einem verhältnismäßig niedrigem Signal-Abbiege-Verhältnis im Gebiet der Beanspruchungsmeßelemente, und dadurch wird ein verhältnismäßig hohes Signal-Kraft-Verhältnis erhalten. Darüber hinaus schwanken gemessenen Beanspruchungen entlang der Länge der Meßelemente nicht erheblich, da das Gebiet verringerter Dicke in der Länge im Verhältnis zur Gesamtlänge des Arms kurz ist und die Meßelemente gewöhnlich nur ein Drittel bis zur Hälfte der Länge des Gebiets verringerter Dicke einnehmen. Somit kann die Gesamtlänge, an der die Meßelemente liegen, als konstant angenommen werden und dadurch der Wirkungsgrad und die Genauigkeit des Übertragers erhöht werden.

Der Metallarm 60b kann sich im Übertrager befinden, in dem die Abtastmembran 26 einen Formfaktor von mindestens 6 und eine Steifigkeit von mindestens dem 2.6-fachen der Größe des Arms besitzen, um den beschriebenen Vorteil zu erhalten. Das beschriebene Beispiel kann mit einer

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Steifigkeit des Arms von etwa 4,62 kg/cm aufweisen. Deshalb soll die Membran zum Erzielen einer entsprechenden Arbeitsfähigkeit über einen weiten Bereich von Differentialdrücken (unter 0,07 kg/cm²) eine Steifigkeit von mindestens 0,95 kg/cm aufweisen. Bei Verwendung einer steiferen Membran für höhere Druckbereiche wird das Verhältnis von Arm- zu Membranbiegsamkeit notwendigerweise über einen Mindestwert von 2,6 ansteigen.

Es ist ein Differentialdruckübertrager beschrieben worden, bei dem der Hebelarm entsprechende Signalhebel erzielt, während eine verhältnismäßig hohe Biegefähigkeit auftritt, die wiederum den Übertrager eine Vielfalt von Druckbereichen aufnehmen läßt, die bei 0,07 kg/cm oder darunter liegen, dies geschieht durch ein einfaches Hilfsmittel zum Ändern der Abtastmembran (damit die Membran einen Formfaktor von mindestens 6 und eine Steifigkeit von mindestens dem 2,6-fachen der Armsteif igkeit besitzt, was ein leicht zu erreichendes Kriterium ist, das bewirkt, daß der Arm hoch biegefähig ist).

Bei diesem hoch biegefähigem Arm und einem vollen Skalenausschlag ist der Übertrager für Uhgenauigkeiten infolge von Umgebungstemperaturschwankungen weniger empfindlich als steife Übertrager, wie es zusammenfassend erläutert worden ist. In ähnlicher Weise ist das Herstellen der Überdruckstopmechanismuselemente weniger Kritisch, wodurch die Herstellungskosten verringert werden können»

Leerseite

Claims

Different χ-aldru c kübertrager

Patentansprüche:

Q Differentialdruckübertrager mit einem Hebelarm der piezoelektrische Belastungsmeßelemente trägt, oder auf ihn aufdiffundiert sind, mit einer druckempfindlichen Membran und einem Strebenelement, das die Membran und den Arm se verbindet, daß er eine Belastung im Arm an den Meßeiementen bei einem an die Membran angelegten Druck erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (26) einen Formfaktor von etwa 6 aufweist und der Arm (60a, 60b) eine Biegefähigkeit von mindestens dem 2.6-fachen die Biegefähigkeit der Membran besitzt.
2. Übertrager nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Arm (60a, 60b) so ausgebildet ist, daß praktisch die gesamte im Arm

2 -

TELEX: 1-85644 Inven d

TELEGRAMM:

INVENTION

BERLIN

TELEFON: BERLIN

030/8916037 030/8913026

POSTSCHECKKONTO: P MEISSNER. BLN-W 404737-103

erzeugte Belastung im Gebiet der Meßelemente (68) erzeugt wird·
3. Überträger nach Anspruch. 1, dadurch. gekennzeichnet, daß die Meßelemente (68) sich im Gebiet verringerter Dicke (64-) des Armes (60a, 60b) befinden, das verhältnismäßig kurz im Verhältnis zur Gesamtlänge des Arms ist.
4-, Übertrager nach. Anspruch. 3, dadurch. g e kennze ich.net, daß die Gesamtlänge des Arms (60a, 60b) mindestens 3 mal so lang wie die Länge des Gebiets verringerter Dicke ist.
5. Übertrager nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isoliermembran (4-2) sich außerhalb der druckempfindlichen Membran (26) befindet und zum Isolieren dieser Membran von äußeren Medien dient, und eine vernachläßigbare Steifigkeit im Vergleich mit der Membran aufweist.
6. Übertrager nach Anspruch 5i ä adiir ch g e kennze icknet, daß $eäe Seite des Übertragers (iO) einen Dichtungsring (58a, 58b) und eine Druckplatte aufweist, die in Kombination mit der Isoliermembran (4-2) und dem Dichtungsring (58a) eine Eingangsdruckkammer (30) auf einer Seite des Übertragers bildet, und daß die Isoliermembran (4-2) an eine Seite des Übertragers (10) außerhalb der Lage des Dichtungsringes angeschweißt ist.