DE3141848A1 - Messumformer zum messen von druckdifferenzen - Google Patents

Description

Titel der Erfindung

Meßumformer zum Messen von Druckdifferenzen.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer zum Messen von Druokdifferenzen_t der in einer Vielzahl von technologischen Anlagen, wie Kraftwerken, Chemieanlagen und dergleichen, zum Messen von Prozeßgrößen, welche sich auf einen Druck bzw· eine Druckdifferenz zurückführen lassen, zur Steuerung, Regelung bzw. Überwachung dieser Prozesse eingesetzt werden kann· So kann z.B. die Prozeßgröße Durchfluß einer eine Leitung durchfließenden Flüssigkeit als der über einer Meßblende abfallende Differenz» druck bei hohem statischem Druck mit dem erfindungsgemäßen Meßumformer gemessen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Meßumformer bekannt, die einen den Meßdruck in ein elektrisches Signal umformenden Druckwandler aufweisen, der zum Beispiel ein den piezoresistiven Effekt ausnutzender Halbleiterverformungskörper, der integrierte Dehnungswiderstände besitzt, sein kann, wie er in der DD PS 133 714· des Anmelders beschrieben ist» Der Druckwandler ist vor Kontakt

mit dem Meßmedium durch Zwischenschalten von Trenmnembranen geschützt! wobei die Druckübertragung von Meßmedium zum Wandler über eine inkom<=| pressible Flüssigkeit, wie z_a B₀ Siliconöl_s erfolgt. Bekannte Diffe- f renzdruckmeßumforiner enthalten in einem Gehäuseblock zwei mit inkom·= I

pressibler Flüssigkeit gefüllte Kammern^ die nach außen durch Trenn- | membranen abgeschlossen sind und in deren gemeinsamer Gehäusetrennwanfi.

als Meßelement der Druckwandler befestigt ist« Der Schutz des Druck- |

wandlers vor einseitiger Überlastung wird oft dadurch erreicht,, daß I. sich die überlastete Trennmembran an die Gehäusetrennwand anlegen kanfi₉ wobei die bisher zwischen Trennmembran und Gehäusetrennwand befindliche Flüssigkeit verdrängt und von einem gleichfalls in die Gehäusetrennwand eingesetzten elastischen Element_s Z₀ B„ einem Metallbalg₉ aufgenommen!

wird» I

Meßgenauigkeit und Nullpunktkonstanz der Meßumformer hängen wesentlich davon ab_s ob die Auslenkung der Trennmembran im Betriebseinsatz seiir \ klein gehalten werden kann_s da jede Auslenkung der Trennmembran auf . Srund der ihr eigenen Federsteife eins Druckänderung in der Flüssigkeit und damit am Meßolement bewirkt« Allgemein wird deshalb ein sehr geringes und gleiches Volumen der gefüllten Kammern angestrebt₉ damit die bei jPem·=· peraturänderungen eintretende Flüssigkeitsvolumenänderung und damit d|.e Trsnnaembranauslenkung mit der Auswirkung einer Nullpunktabweichung |ge=>

ring ist, f

Die USA-Patentschrift 4028 9^5 beschreibt ein Überlastschutzsystem de|?

genannten Art, bei d©m der in die ^©hliusGtreimwnnd olngoeotata unvor-i

gespannte Metallbalg durch eine vorgespannte Druckfeder gegen Auslenkung

des Balgbodens in beiden Richtungen bis zu einer Überlastschwelle_B dj h_o

f einem dicht oberhalb des Meßbereichsendwertes festgelegten Druckwerte ge= sichert ist_e .vegen.der erforderlichen zv;eiseitigen Auslenkbarkeit desj Balges besitzt die Feder eine zweifache j.

Einspannung. Sie ist gespannt durch eine mit dem Balgboden verbundene Klammer mit fester Distanz, sowie durch eine zweite mit dem Gehäuse verbundene Klammer ebenfalls mit fester Distanz· Nachteilig ist, daß die Klammerdistanz notwendigerweise mit Fertigungstolleranzen behaftet ist, wodurch sich der Balg' und damit die Trennmembranen bewegen. Desweiteren ist der Überlastschutz von außen nicht auf einfache Weise, d.h. ohne weitgehende Demontage des Meßumformers, zugänglich und ist nicht einstellbar« Das ist jedoch wünschenswert, um im Herstellungsprozeß des Meßumformers die Möglichkeit zu schaffen, eine Überlastschutzeinrichtung für eine Reihe von Typen mit ver* schiedenen Meßbereichen zu verwenden· Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Druckwandler, die Überlastschutzeinrichtung und die Trennmembranen in einem Gehäuseblock angeordnet sind· Es überträgt sich somit jede Temperaturänderung des Meßmediums voll auf die gesamte Flüssigkeitsfüllung und bringt damit die unerwünschten Membranauslenkungen verbunden mit einem größeren Temperaturfehler des Druckwandlers selbst, da auch dieser der vollen Temperaturänderung ausgesetzt ist. Ein weiterer Differenzdruckmeßumformer ist in der DE OS 2?18 93I beschrieben, bei dem der Druckwandler von dem Gehäuseblock, in dem die Überlastschutzeinrichtung und die Trennmembran angeordnet sind, entfernt und mit diesem über Kapillarleitungen, verbunden ist· Nachteilig an dieser Lösung ist, daß bedingt durch die Anordnung des Überlastschutzes in unmittelbarer Nahe der Trennmembranen, ein großer Anteil des Flüssigkeitsvolumens dem Temperatureinfluß des Meßmediums unmittelbar ausgesetzt ist. Temperaturschwankungen im Meßmedium verursachen somit eine große Volumenänderung der Flüssigkeit und damit eine unerwünschte Bewegung der Trennmembranen· Die Zugänglichkeit des Überlastschutzes und die Justierung desselben von außen ist nicht möglich. Die zwischen dem genannten Gehäuseblock und dem Wandler vorgesehene Kapillarleitung, die den für die notwendige Dämpfung von Druckstäßen erforderlichen hohen '

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hydraulischen Widerstand schafft» erschwert ö©n Füllvorgang des Meßumformers mit der Druokübertragungsflüssigkeito Sin weiterer Differenzdruckmeßumformer ist aus der DE 2819 bekannt, der einen separaten Trennmembranblock verwendet₉ der zur Kompensation von Temperatureinflüssen spezielle Invar» blocke beinhaltet» Der Trennmembranblock ist über entsprechen« de Kanäle mit einem zweiten Block verbunden^ in dato die Überlastschutzeinrichtung ₉ die zwei vorgespannte Überlastschutz« membranen benutzt_s und der Halbleiterwandler angeordnet sind₀ Bas Volumenaufnahmevermögen einer solchen kalottenförmigen durch Vorspannung bereits verformten Überlastschutzmembran_s | ist im Vergleich zu dem Volumenaufnahmevermögen der Üblicher« § weise verwendeten Metallbälge oder g©x«/ellten Membranen ver« ■ gleichbarer Größe wesentlich geringer,, Bsshalb sind zusatz« lieh im Trennmembranblock Temperaturkompensationsblocke aus Invar vorgesehen^, Auf Grund der unterschiedlichen Expansion zwischen Gehäuse und Invarblöcka vergrößern sich di© Spalten« räume zwischen beiden bei Temperaturerhöhung und nehmen einen Teil der sich gleichfalls ausdehnenden Flüssigkeit auf₈ wo« durch auch bei höheren Betriebstemperaturen die im Überlast·=» fall von der Trennmembran verdrängte und durch die Überlastschutzmembran aufzunehmende Flüssigkeitsmenge klein gehalten wird. Da der thermisch© Ausdehnungskoeffizient der Druckübertragungsflüssigkeit wesentlich größer ist als der des Gs= häuses und der Füllkörper müssen für eine wirksame Temperatur« kompensation die Abmessungen des Gehäuses relativ groß sein, zumal sich das Ölvolumen nicht beliebig verkleinern läßto Um die Größe des Gehäuses und der Invarkörper dsnnoch mög·=· liehst gering zu halten₈ müssen die Spalträume zwischen In« varkörper und Gehäuse sahr klein sein (angegeben mit 2^,4 Mikrometer)s damit das Ölvolumen entsprechend klein bleibt« Damit führt diese Lösung notwendigerweise zu einem erhöhten Material-= und Fertigungsaufwand für den Meßlimformer_o

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Weitere Nachteile sind aärin zu sehen, daß der wünschenswerte enge Spalt zwischen den Invarblöcken und der Innenwand des Gehäuses das Einbringen der Druckübertragungsflüssigkeit in den Meßumformer erheblich erschwert und daß die funktionsbedingte, temperaturgesteuerte, starke Spaltweitenänderung den hydraulischen Widerstand der Druckvermittlung zwischen Trennmembran und Druckwandler stark temperaturabhängig macht, wodurch die dynamisch» Eigenschaften des Meßumformers, wie das zeitliche Übertragungsverhalten und die eingangsseitige Bedämpfung von Druckimpulsen, in nicht erwünschter Weise temperaturabhängig werden.

Allgemein ist es ein wesentlicher Nachteil bei den bekannten Meßumformern, daß sie in ihrer konstruktiven Bauart auf einen speziellen, eng begrenzten Anwendungszweck ausgerichtet sind, wodurch die ökonomische Serienfertigung eines Gerätesystems mit einer Vielzahl von verschiedenen Typen, die sich auf Grund vieler unterschiedlicher Betriebsbedingungen, wie Meßbereiche, Druckmessung oder Differenzdruckmessung, Überlastschutz erforderlich oder nicht, chemische Aggressivität des Meßmediums, Dynamik der Meßwertänderung und Betriebstemperatur erforderlich macht, nachteilig beeinflußt wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es,'einen Meßumformer zur Messung von Druckdifferenzen zu schaffen, der die ökonomische Fertigung eines Gerätesystems von Differenzdruck- und Druckmeßumformern mit einer Vielzahl von Typen gestattet, wobei die Einflüsse der Betriebstemperatur des Meßmediums gering gehalten werden, der Druckwandler vor Überbelastung durch eine von außen zugängliche, einstellbare Überlastschutzeinrichtung sicher ohne Minderung seiner Arbeitsgenauigkeit geschützt ist, das Füllen der Meßumformer mit der Druckübertragungsflüssigkeit erheblich erleichtett wird und die Kanalquerschnitte' im Trennmembranblock groß sind und erst nach dem Füllvorgang des Meßumformers verkleinert werden und das dynamische Übertragungs-

verhalten zwischen Trennmembran und Druckwandler auf einfache Weise d©n Betriebsbedingungen anpaßbar ist_o

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es₉ einen Meßumformer, zur Messung von Druckdifferenzen zu schaffen_s bei dem die Überlastschutzeinrieh» tung weder mit den Trennmembranen noch mit dem Wandler in einem gemeinsamen Gehäuseblock untergebracht ist₉ wobei die Kanalquerschnitte im Trennmembranblock groß sind und erst nach dem Füllvorgang des Meßumformers verkleinert werden und das un~ mittelbar an das Medium, angrenzende FlUssigkeitsvolumen sehr klein ist, so daß der Einfluß der Betriebstemperatur des Meß~ mediums auch ohne das Vorsehen von besonderen Temperaturkompensationsblöcken gering ist,,

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadureh gelöst₀ daß alle drei wesentlichen Funktionsgruppen des Meßumformers, die Trennmembranens die Uberlastschutzeinrichtung und der Druck·= wandler in einem separaten Gehäuseblock_s dem Trennmembran»= blockj dem Überlastschutzbloek und dem Druckwandlerblock unter= gebracht sind und diese in der genannten Reihenfolge lösbar miteinander verbunden sindo

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Überlastschutzeinriehtung einen an sieh bekannten zweiseitig gefesselten Balg aufs wobei das Innere des Balges ©ine· Kammer bildet,, die nach außen in einer Gewindeöffnung endet_s die mit einem Verschluß druckdicht abgeschlossen isto Der Balg ist durch eine Feder in beiden Richtungen vorgespannt wobei oter Balgboden mit einer Stange fest verbunden ist₉ die einen Vorsprung aufweist, der gemeinsam mit einem Vorsprung im Überlastschutzblock die eine Auflage der Feder bildete Eine auf die mit dem Balgboden verbundene Stange geschraubte innere Gewindebuchse bildet gemeinsam mit einer in die Gewindeöffnung des Überlastschutzblockes gesehraubten äußeren Ge- _: windebuchsa die andere Auflage für die Federo Wach Entfernung

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AO

des die "owindeöffnung abschließenden Verschlusses ist es auf einfache .'/eise möglich, die Vorspannung der Feder und damit ' die Überlastschutzschwelle durch Verstellung der Gewindebuchsen einzustellen. Desweiteren ist es möglich, einen genauen, spielfreien i'edersitz durch Verstellung einer der Gewindebuchsen von außen am kompletten Meßumformer zu erreichen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der wesentliche Teil des hydraulischen Widerstandes jedes der beiden üruckübertragungskanäle innerhalb des Trennmembränblockes, also in der zwischen Trennmembran und Überlastschutzeinrichtung befindlichen Strecke erzeugt. Der Trennmembranblock besitzt dazu zwei libertragungskanäle, die gerade von der einen Seitenwand des Trennmembränblockes zur anderen Seitenwand verlaufen und jeweils mit dem ^Äaum zwischen Trennmembran und Trennmembranträgerscheibe in Verbindung stehen. Die Ubertragungskanäle sind an der einen Seitenwand des Trennmembranblockes zu einer Gewindeöffnung erweitert, die als Einfüllöffnung für das Einbringen der Druckübertragungsflüssigkeit dient und mit einer Kugel und Schraube verschließbar ist. Der Durchmesser der übertr«gungs Kanäle hat einen das Einbringen der Übertragungsflüssigkeit erleichternden Viert von mindestens 3 mm. Die zur Dämpfung von Druckstößen erforderlichen hohen hydraulischen Widerstände werden dadurch erzeugt, daß nach dea Füllvorgang Hydraulikwiderstandselemente von außen in die Ubertragungskanäle eingeschoben werden, so daß der für die Druckübertragung wirksame Querschnitt stark verringert wird. Dadurch ist es jederzeit möglich, bestimmte Änderungen im dynamischen Verhalten des Meßumformers durch eine Änderung der hydraulischen Widerstände herbeizuführen, das einfach durch das Einfügen von Hydraulikwiderstandelementen mit anderem durchmesser erreicht wird.

Vorzugsweise sind die in die ^bertragungskanäle eingeschobenen Hydraulikwiderstandselemente zylindrisch ausgebildet und besitzen an dem Ende, das im Einbauzustand zwischen der Kugel und dem in den Ubertragungskanal einmündenden Kanal liegt, der

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die Verbindung mit dem Raum zwischen Trennmembran und Membran« trägerscheibe schafft, einen größeren Durchmesser der durch Preßpassung oder Rändelung einen festen Sitz in dem Übertragungs« kanal sichert. Zum leichten Herausnehmen der Hydraulikwiderstands» elemente besitzen diese an dem genannten Ende ein Innengewinde» Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin_s daß der Druckwandlerblock bei Wegfall des Überlastschutzblockes unmittelbar mit dem Trennmembranblock verbunden ist, so daß für die Anwendungsfalle, wo ein solcher Überlastschutz nicht notwendig istj eine ökonomische Anpassung des Meßumformers durch den Ueg« fall des kompletten Überlastschutzblockes erreicht wirdo Sine weitere Modifikation des Meßumformers besteht darin, daß auf der Hiederdruckseite des Meßumformers Meßkammerdeckel₈ Trennmembran einschließlich Trägerscheibe, Übertragurigsflüssig«=· keit und Hydraulikwiderstandselemente lieggelassen v/erden und die bisher durch die minusseitige Trennmembran abgeschlossene Kammer· mit der Atmosphäre verbunden ist₉ so daß mit gleichen Bauteilen ein überlastsicherer Druckmeßumformer geschaffen wirdo Eine andere Modifikation des Meßumformers wird dadurch erreicht, daß der Überlastschutzblock und auf der Niederdruckseite des Meßumformers MeßkammerdeckeI₀ Trennmembran einschließlich Trä« gerscheibe, Übertragungsflüssigkeit und Hydraulikwiderstandselement weggelassen v/erden und so mit gleichen Bauteilen ein Druck-meßumformer ohne Überlastschutz-geschaffen wirdo

Ausführungsbeispiel

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nächste^ hend näher erläutert« Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfxndungsgemäßen Diffe-

renzäruckmeßumformer mit Überlastschutzeinrichtung 2 einen Querschnitt durch einen Mfferenzdruckmeßumformer ohne Überlastschutzeinrichtung

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Druckmeßumformer mit

Überlastschutzeinrichtung
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Druckmeßumformer ohne Überlastschutzeinrichtung

Fig. 1 zeigt einen Differenzdrückmeßumformer gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die drei wesentlichen Funktionselemente eines solchen Meßumformers, nämlich der Druckwandler 1, die überlastschutzeinrichtung 2 und die Trennmembran 3 und 4 jeweils in einem eigenen Gehäuseblock, dem Druckwandlerblock 5, dem Überlastschutzblock 6 und dem Trennmembranblock 7 untergebracht und in der genannten Reihenfolge aneinandergereiht und durch Verbindungselemente 8 und 9 lösbar miteinander verbunden sind. Der Trennmembranblock 7 besteht aus einer relativ flachen quadratischen Mittelplatte 10, auf deren Seitenflächen die Trennmembranen 3 und 4, die am Umfang jeweils mit einer Trägerscheibe 11 verschweißt sind, als auswechselbare Baueinheiten befestigt sind, sowie zwei MeßkammerdeckeIn 12 und 13, die auf dem Rand der Trägerscheiben 11 abdichtend aufgesetzt, die Hoch- und Niederdruckkammer 14 und 15 bilden.

Zwei gerade Druckübertragungskanäle 16, 17 von ca. 3 mm Durchmesser durchlaufen die Mittelplatte 10 von der Seitenwand 18 zur Seitenwand 19 des Trennmembranblockes 7 und sind an der Seitenwand 19. zu einer Gewindeöffnung 20 erweitert, die als Einfüllöffnung für das Einbringen derÜbertragungsflüssigkeit 21 dient und mit einer Kugel 22 und Schraube 23 verschließbar ist. Die Mittelplatte 10 weist weiterhin zwei enge Drucküber— tragungskanäle 24 auf, die die Verbindung zwischen dem mit Übertragungsflüssigkeit 21 gefüllten Raum zwischen Trennmem-r bran 3 bzw. 4 und der entsprechenden Trägerscheibe 11 und den Druckübertragungskanälen 16 bzw. 1? schaffen. An der Seitenwand 18 der Mittelplatte 10 sind weiterhin Befestigungselemente 25 zur Befestigung des Druckwandlerblockes 5 mit dem Trennmembranblock 7 bei einer Ausführungsform des Meßumformers ohne Überlastschutzeinrichtung gemäß Fig. 2 und 4 vorgesehen. In die Druckübertragungskanäle 16 und 17 sind zylindrische Hydraulik-

Widerstandselemente 26 eingeschoben_s die an dem der Einfüll» öffnung zugewandten Ende einen größeren Durchmesser besitzen der durch Presspa^ssung 27 oder Rändelung 28 einen festen Sitz im Übertragungskanal sichert.

Zur Erleichterung der Herausnahme besitzen die Hydraulikwider» Standselemente ein Innengewinde 29« Der große Querschnitt der Übertragungskanäls 16, 17 erleichert erheblich den Füllvorgang des Meßumformers mit der Übertragungsflüssigkeit 21_o Der erforderliche hydraulische Widerstand zwischen den Trennsambra« nen und der Überlastschutzeinrichtung wird dadurch geschaffen₉ ■ daß in die Übertragungskanäle zylindrische Hydraulikwid©rstandselemente eingeschoben werden_e Dadurch₀ daß die Drucküber« tragung in den Kanälen 16 und 17 nunmehr in einem kreisring=» förmigen Querschnitt erfolgt und damit die benötzte Oberfläche wesentlich größer ist als in einem normalen zylindrischen Kanal₈ ist der hydraulische Widerstand bei gleicher Querschnittsfläche größer« Die Unterbringung des größten Teils des hydraulischen Widerstandes in dem Raum zwischen den Trannmembranen 3 und 4 und der Überlastschutzsinriehtung 2 gewährleistet eine gute Dämpfung von Druckstößen bereits am Überlastschutz₀ so daß dem Entstehen von Druckschwingungen am Metallbalg 20 und damit auch am Druckwandler 1 weitgehend entgegengewirkt wird» Unterschied« liehen dynamischen Anforderungen an den Meßumformer kann auf einfache Weise dadurch entsprochen werden_s daß Hydraulikwiderstandselemente £6 mit einem anderen Durchmesser verwendet v/erden»

Der Überlastschutzblock 6 enthält einen Metallbalg 3O₀ der durch eine vorgespannte Feder y\ gegen axiale Auslenkung in beiden Richtungen gefesselt isto Hierzu ist der Balgboden 32 mit einer Stange 33 fest verbunden,, die einen Vorsprung 3^ aufweist, der gemeinsam mit einem Vorsprung 35 im Gehäuseblock 36 die eine Auflage der Feder 31 bildete Die andere Auflage der Feder 31 bildet eine Innengewindebuchse 37, die auf die Stange 33 ge= schraubt ist₉ und eine Außengewindebuchse 38_S die in die im Gehausblock 26 befindliche Gewindeöffnung 39 geschraubt isto

Die Vorspannung der Feder 31 läßt sich bei entferntem Verschluß 40 durch Verstellung einer der Gewindebuchsen von außen einstellen, wobei die andere Gewindebuchse entsprechend nach» gestellt wird, so daß beide Gewindebuchsen eine plane Sitzfläche für die Feder bilden. Dadurch daß es von außen jederzeit möglich ist, die gewünschte plane Sitzfläche durch Verstellung einer der Gewindebuchsen zu realisieren, wird einfederspannungsloses Totspiel des Metallbalges 30 sicher verhindert. Die einfache von außen mögliche Einstellung der Überlastschwelle an der Überlastschutzeinrichtung bringt bei der Herstellung des Meßumformers den Vorteil, daß eine Überlastschutzeinrichtung für eine ßeihe von Meßumformer, type η mit verschiedenen Meßbereichen verwendet werden kann, wodurch eine geringere Typenvielfalt von Überlastschützeinrichtungen benötigt wird. Die in Abhängigkeit vom verwendeten Druckwandler vorzunehmende Einstellung der Überlastschwelle kann wie beschrieben am fertigen Meßumformer erfolgen. Im Gehäusblock 36 sind als engere Bohrungen ausgebildete Druckübertragungskanäle 41 und 42 vorgesehen, die die Fortsetzung der im Trennmembranblock befindlichen Druckübertragungskanäle 16 und 17 darstellen und die Verbindung mit dem Druckwandler 1 herstellen. Der Balginnenraum bildet mit dem Raum in dem sich die Feder 31 befindet eine Kammer 43> die nach außen in einer Gewindeöffnung 39 endet und durch den Verschluß 40 druckdicht verschlossen ist. Der Kanal 48, der Bestandteil der Kammer 43 ist, hat einen wesentlich geringeren hydraulischen Widerstand .als der Kanal 16 bzw. 17. Der Balgaußenraum bildet eine zweite Kammer 44.

Der Druckwandlerblock 5 enthält vorzugsweise ein. relativ starres Halbleitermembranplattchen als Druckwandler 1, dessen Aufbau an sich bekannt ist und beispielsweise in der DD Patentanmeldung 133 714 beschrieben ist. Die Speisung der Dehnmeßelemente, die in bekannter Weise eine Brückenschaltung bilden und die Abnähme des elektrischen Ausgangssignals erfolgt über dünne Drähte, die mit den Anschlußstifen 45 verbunden sind. Die Anschlußstifte

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45 sind, in der Wandung des Druckwandlerblockes 5 durchdicht und elektrisch isoliert eingesetzt.

In Fig. 2 ist eine Ausführung eines Differenzdruckmeßumformers nach Fig. 1 ohne Überlastschutzblock 6 dargestellt. Diese Ausführungsform wird mit den gleichen Bauteilen lediglich durch Weglassen des Überlastschutzblockes 6, des Verbindungselementes 9 und der Dichtringe 46, 47 realisiert. Fig. 3 zeigt in weiterer Modifikation einen Druckmeßurnformer mit Überlastschutzeinrichtung, der ebenfalls mit den gleichen Bauteilen wie in Fig. 1 dadurch realisiert wird₃ daß der Trennmembranblock 7 minusseitig ohne Meßkammerdefekel 13s Trennmem·= bran 4, Trägerscheibe 11, Hydraulikwiderstandselement 26 und Übertragungsflüssigkeit 21 montiert ist, da diese Teile bei der Druckmessung mit dem atmosphärischen Luftdruck als Be= zugsdruck ohne Funktion sind.

Ein Druckmeßumformer ohne Überlastschutz ist in Figo 4 dargestellt, der aus dem Druckmeßumformer mit Überlastschutzeinrichtung nach Fig. 3 dadurch realisiert wird_s daß der Über« lastschutzblock 6_S das Verbindungselement 9 und die Dichtringe 46, 47 weggelassen werden und der Druckwandlerblock 5 mittels der Befestigungselemente 8 und 25 unmittelbar mit dem Trennmembranblock 7 verbunden wirde

Die vorstehend beschriebenen Modifikationen verdeutlichen, daß der erfindungsgemäße Meßumformer die ökonomische Fertigung eines aus vielen Typen bestehenden Gerätesystems gestattete Unter Verwendung gleicher Bauteile ist es auf einfache Weise möglichj Druck- und Differenzdruckmeßumformer sowohl mit als auch ohne Überlastschutz zu realisieren. Durch das Zusammenfügen verschiedener Trennmembran-j Überlastschutz- und Druckwandlerblöcke kann den verschiedensten Einsatzbedingungen mit einem minimalen Grundsortiment unterschiedlicher Bauteile ent=- sprochen werden· Die Stückzahlen für die einzelnen Bauteile werden dadurch erhöht, die Effektivität der Fertigung verbessert und der Service durch die Möglichkeit des einfachen Baugruppenaustausches erleichtert«,

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Meßumformers wird nachstehend wie folgt beschrieben:

Zunächst die Wirkungsweise des Differenzdruckmeßumformers mit Überlastschutzeinrichtung nach Fig. 1.

Der beispielsweise von der Plusseite eines Wirkdruckgebers abgenommene Druck wird in die Meßkammer 14 eingeleitet und wird über die Trennmembran 3 auf die Übertragungsflüssigkeit 21 hinter dieser Trennmembran und damit Über die Druckübertragungskanäle 24, 16, 41 und die Kammer 44 auf das galbleitermembranplättchen des Druckwandlers 1 übertragen. Entsprechend wird der minusseitig am Wirkdruckgeber abgenommene Druck in die Niederdruckkammer 15 eingeleitet und wirkt über die Trennmembran 4 auf · die Übertragungsflüssigkeit hinter dieser Trennmembran und damit über die Druckübertragungskanäle 24, 17 und 42 und die Kammer 43 auf die Rückseite des HaIbleitermembranplättchens des Druckwandlers 1. Der an der Halbleitermembran anstehende Druckunterschied verursacht eine sich mit dem Druckunterschied ändernde Durchbiegung derselben, die in den auf Biegespannungen empfindlichen Dehnmeßelementen der Halbleitermembran eine Widerstandsänderung bewirkt, die zu einer proportionalen Änderung des elektrischen Ausgangssignals des Meßumformers weiterverarbeitet wird.

Übersteigt die Druckdifferenz der in die Meßkammern 14 und 1.5 eingeleiteten Drücke den Meßbereichsendwert und damit die mit der Feder 31 eingestellte Überlastsahwelle der Überlastschutzeinrichtung 2, so liegt eine Überlastung vor. Ist der in der plusseitigen Meßkammer 14 wirkende Druck 24 zu groß, so legt sich die Trennmembran 3 an die entsprechend profilierte Fläche der Trägerscheibe 11 an und verhindert damit ein weiteres Ansteigen des Druckes jenseits der Trennmembran 3· Beim Anlegen der Trennmembran 3 wird das zwischen dieser und der Membranträgerscheibe befindliche Flüssigkeitsvolumen verdrängt und fließt in die durch den Balgaußenraum gebildete Kammer 44, in welcher sich der als Trennwand wirkende Boden 32 des Metallbalges 30 verschiebt, sobald die auf ihn von außen wirkende Kraft größer wird als die mittels der Gewindebuchsen 37, 38 eingestellte

Vorspannkraft der Feder 31· Aus dem sich dadurch verkleinernden Balginnenraum, der Kammer 43, fließt die Übertragungsflüssigkeit 21 durch die Bohrung 42 und den Übertragungskanal 17 in den sich durch Auslenkung der Trennmembran 4 erweiternden Raum zwischen Trägerscheibe 11 und Trennmembran 4e Während der Überlastung ist die Feder 31 stärker zusammengedrückt als dargestellt» wobei sich das eine Federende dann nur auf der Außengewindebuchse 38 und das andere Federende nur auf dem Vorsprung 34 der Stange 33 abstützt« Sinkt der Überlastiingsdruck wieder auf Werte unterhalb der Überlastungsschwelle, so drückt die Feder 3"! über die Stange 33 üan Boden 32 des Metallbälges 30 wiader in die Ursprungs·= lage zurück, was gleichzeitig den entsprechenden Rücktransport der Übertragungsflüssigkeit 21 bewirkte Bei minusseitiger Überlastung ist die Ifirkungsweise analoge. Es legt sich die Trennmembran 4 an die Trägerscheibe 11 an«, das dabei verdrängte Flüssigkeitsvolumen fließt in den sich durch Streskung des Balges vergrößernden Balginnenraum_s die Kammer 43, wodurch aus dem.Balgaußenraum, der Kammer 44, Flüssigkeit verdrängt und unter die Trennmembran 3 gedrückt wird» Die Feder 3t ist dabei stärker zusammengedrückt als dargestellt, wobei sich das eine Feiäerende nur auf der Innengewindebuchse 37 und das andere Federende nur auf dem Vorsprung 35 des Gehäuseblockes 36 abstützt. Sinkt der Überlastdruck wieder unter die Überlastschwelle, drückt die Feder y\ das ausgelenkte System wieder in die Ursprungslage.

Die in Fig. 2 dargestellte Geräteausführung eines Differenzdruckmeßumformers ohne Überlastschutzeinrichtung besitzt innerhalb des normalen Arbeitsbereiches die gleiche Wirkungsweise wie die Ausführung nach Fig. 1. Im Überlastfall zerbricht die Halbleitermembran_s wenn der Berstdruck erreicht wird, und die Trennmembran der überlasteten Seite legt sich an die Trägerscheibe 11 an. Die verdrängte Übertragungsflüssigkeit fließt durch die entsprechenden Druckübertragungskanäle und die zerbrochene Halbleitermembran in den sich durch Auslenkung der mit dem geringen Druck belasteten Trünnmembran vergrößernden

Raum zwischen dieser und der Trägerscheibe 11. Da die Trennmembranen 3» 4 auch bei dieser Überlastung ihre Funktions— fähigkeit nicht verlieren, treten keine Folgeschäden durch das Meßmedium in dem Meßumformer auf. Die Instandsetzung erfordert somit nur den Wechsel des Druckwandlerblockes 5 mit dem zerstörten Druckwandler 1 und das Einbringen einer neuen Flüssigkeitsfüllung 21.

Die Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Druckmeßumformers mit Überlastschutzeinrichtung ist folgende: Der in die Meßkammer 14 eingeleitete Meßdruck wirkt über die Trennmembran 3 auf die Übertragungsflüssigkeit 21, die den Meßdruck durch die Kanäle 24, 16, 41 und die Kammer 44 auf die Halbleitermembran überträgt. Jede Änderung des Meßdruckes bewirkt wie für Fig« beschrieben, eine entsprechende Änderung des elektrischen Ausgangssignals.

Im Überlastfall wirkt die Überlastschutzeinrichtung 2 wie bei Fig. 1 für den Fall der plusseitigen überlastung beschrieben.

Der in Fig. 4 gezeigte Druckmeßumformer ohne Überlastschutzeinrichtung entspricht in seiner Wirkungsweise dem aus Fig» 3, sofern der Meßdruck im normalen Arbeitsbereich liegt. Im Überlastfall bricht die Halbleitermembran, wenn der Berstdruck überschritten wird, wobei sich die Trennmembran 3 anlegt und die verdrängte Übertragungsflüssigkeit 21 durch die Druckübertragungskanäle und die zerbrochene Halbleitermembran ins Freie abfließt.

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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Druckwandler 45 Anschlußstifte

2 Überlastschutzeinrichtung 45, 4? Bichtringe 3, 4 Trenamembranen 43 Kanäle

5 Druckwandlerblook

6 Überlastschutzblock

7 Trennmembranbvlock 8, 9 Verbindungselemente

10 Mittelplatte des Trennmembranblockes

11 Trägerscheibe für die Trennmembran 12, 13 Meßkammerdeckel

14 Hochdruckmeßkammer

15 Niederdruckkammer

i6, 17 Druckübertragungskanäle

18, 19 Seitenwände des Trennmembranblockes

20 Gewindeöffnung

21 Druckübertragungsflüssigkeit

22 Kugel

23 Schraube

24 Druckübertragungskanal

25 Befestigungselemente

26 Hydraulikwiderstandselement 2? Presspassung

28 Rändelung

29 Innengewinde

30 Metallbalg

31 Feder

32 Balgboden

33 Stange

34 Vorsprung in der Stange

35 Vorsprung im Gehäuseblosk

36 Gehauseblock

37 Innengewindebuch se

38 Aussengewindebuchse

39 Gewindeöffnung

40 Verschluß

41, 42 Bruckübertragungskanäle

43» 44 Kammer

Claims (1)

1. Patentansprüche ■

   (1. !Meßumformer zum Messen von Druckdifferenzen mit einem den; I

   Meßdruck in ein elektrisches Signal umformenden relativ *

   steifen Druckwandlers der Teil einer Trennv/and zwischen «

   zwei mit Übertragungsflüssigkeit gefüllten Kammern ist_s *

   die gegenüber dem Prozeßmedium durch Trennmembranen abge- I

   schlossen sind, sowie einer Überlastschutzeinrichtung zum *

   Schutz des Druckwandlers voe einseitiger Überlastung₃ ge= S

   kennzeichnet dadurch_ä daß die drei wesentlichen Funktions« i

   elemente des Meßumformers_s der Druckwandler (1)_a die Über- -

   i lastschutzeinrichtung (2) und die Trennmembranen (3₀4) jedes ".

   in einem eigenen Gehäuseblock₉ dem Druckwandlerblock (5) ₂ | dem Überlastschutzblock (6) und dem Trennmembranblock (7) t

   "i untergebracht sind und diese drei Gehäuseblöcke (5s6s7) in der genannten Reihenfolge lösbar miteinander verbunden sind»

   2„ Meßumformer nach Bunkt 1, gekennzeichnet dadurch_s daß die Überlastschutzeinrichtung (2) in an sich bekannter Weise einen zweiseitig gefesselten Balg (30) aufweist₉ wobei das Innere des Balges (30) eine Kammer (43) bildet, die nach außen in einer Gewindeöffnung (39) endet₉ die mit einem Verschluß (40) druckdicht abgeschlossen ist_e

   3» Meßumformer nach Punkt 1 und 2₀ gekennzeichnet dadurch₉ daß der Balg (30) durch eine Feder (31) in beiden Richtungen vorgespannt ist_s daß der Balgboden (32) mit einer Stange (33) fest verbunden ist₉ die einen Vorsprung (34) aufweist,, der gemeinsam mit einem Vorsprung (35) 3.si Gehäuseblock (36) die eine Auflage der Feder (31) bildet und daß eine auf die Stange (33) geschraubte Innenge= windebuchse (37) vorgesehen ist₈ die mit einer in die Gewindeöffnung (39) des Blockes (5) geschraubte Außenge~

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   windebuchse (38) die andere Auflage für die Feder bildet. ■ .

   4. Meßumformer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der wesentliche Anteil des hydraulischen Widerstandes jedes der beiden Druckübertragungskanäle (16, 17)» der durch entsprechend enge und lange Durchflußquerschnitte zur Dämpfung von Druckimpulsen erzeugt-ist, innerhalb des · Trennmembranblockes (7) liegt.

   5. Meßumformer nach Punkt 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß zwei den Trennmembranblock (7) von der Seitenwand (18) zur Seitenwand (19) gerade durchlaufende Übertragungskanäle (16, 17) vorhanden sind, die an der Seitenwand (19) zu einer Gewindeöffnung (20) erweitert sind, die als Einfüllöffnung für das Einbringen der Übertragungsflüssigkeit (21) dient und mit einer Kugel (22) und Schraube (23) verschließbar ist, daß diese zwei Übertragungskanäle (i6, 17) im Trennmembranblock (7) einen das Einbringen der Übertragungsflüssigkeit (21) erleichternden Durchmesser von mindestens 3 mm besitzen, in den zur Schaffung der erforderlichen hohen hydraulischen Widerstände Hydraulikwiderstandselemente (26) eingeschoben sind·

   6. Meßumformer nach Punkt 5» gekennzeichnet dadurch, daß die in die Übertragungskanäle (16, 17) eingebrachten zylindrischen Hydraulikwiderstandselemente (26) in dem Ende, das im Einbauzustand zwischen der Kugel (22) und dem Kanalteilstück (24) liegt, einen größeren Durchmesser besitzten, der durch Preßpassung (27) oder Rändelung (28) einen festen Sitz in dem Übertragungskanal (16, 1?) sichert und daß das Hydraulikwiderstandselement (26) an diesem Ende ein Innengewinde (29) zum leichten Herausnehmen aufweist.

   7· Meßumformer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch Weglassen des Überlastschutzblockes (6), der Dichtringe (46, 47) und des Verbindungselementes (9) der Druck-

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   wandlerblock (5) mittels der Verbindungselemente (8, 25) direkt mit dem Trennmembranblock (7) lösbar verbunden ist.

   8« Meßumformer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch₀ daß durch Sfeglassen des Meßkammerdeckels (13)₈ der minusseitigen Trennmembran (4)» der Membranträgerscheibe (11)_s der Übertragungsflüssigkeit (21) sowie des Hydraulikwiderstandselementes (26) die bisher durch die minussei« tige Trennmembran (4) abgesehlossene Kammer (43) mit der Atmosphäre verbunden ist.

   9. Meßumformer nach den Punkten 1, 7 und 8_S gekennzeichnet dadurchj daß der Überlastschutzblock (6), die Dichtringe (46, 47)s das Verbindungselement (9) sowie auf der Niederdruckseite der Meßkammerdeekel (13)ο die Trennmembran (4)₉ die Trägerscheibe (11)₉ die Übertragungsflüssigkeit (21) und der Hydraulikwiderstand (25) weggelassen sind und die bisher durch die Trennmembran (4) abgesehlossene Kammer (43) mit der Atmosphäre verbunden ist» so daß mit gleichen Bauteilen ein vereinfachter Druckmeßumformer ohne Überlastschutz realisiert ist«,