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Meßumformer, insbesondere zum Messen von
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kleinem Druck und Differenzdruck Die Erfindung bezieht sich auf einen
Meßumformer, der insbesondere zum Messen von kleinem Druck und Differenzdruck geeignet
ist.
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Die Meßelemente der In der industriellen Meßtechnik gegenwärtig benützen,
auf dem Prinzip des Dehnungswiderstandmessens beruhenden Druckmeßumformer gehören
bei den mittleren und niedrigen Meßgrenzen (p < 150 bar) ihrer Bauart nach zu
den Membrane-Typen. Dies besagt, daß die, die Signalumformung verrichtenden Dehnungsmeßwiderstände
auf eine Membrane aufgeklebt werden. Im allgemeinen aber ist das Verhältnis Dicke
zu Durchmesser der Membranen, besonders bei den niedrigen Meßgrenzwerten hinsichtlich
der Linearität ,ungünstig.
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Von den nach dem Prinzip der Druck-Dehnungswiderstandes arbeitenden
Meßumformer (Kraft- und Massenmeß-, Momentmeß-, Beschteunlgungsmeß-Geräten) sind
diese Druckmesser am wenigsten
genau. Es können beispielsweise bei
den in der Kraftmeßtechnik benützten Meßzellen Fehler der Größe h(0,05 % vorkommen.
Bei den gegenwärtig übllchen Druckmeßzellen gestaltet sich dieser Fehler Je nach
der Meßgrenze wie folgt: Bei 100 - 150 bar Druck ein Fehler von + 0,25 -% Bei 10
- 25 bar Druck ein Fehler von + 0,5 % Bei Druckmeßzellen von noch niedrigerer Nenndruckgrenze,
wie 0,1 - 5 bar wird bei manchen Gerättypen ein Fehler von 1 % erreicht, ja sogar
überschritten.
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Als Folge davon, daß bei den bekannten Druckmeßzellen die die Signalumformung
verrichtenden Dehnungsmeßwiderstände auf eine Membrane von wenigen Zehntelmillimeter
Stärke aufgeklebt werden, sind auch die wärmedynamischen Eigenschaften dieser Typen
ungünstig.
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Bei den bekannten Typen müssen zufolge des Meßprinzips die Membranen
sehr dünn hergestellt werden. Ihre Fertigung aber stößt hinsichtlich der Fabrikationstechnologie
auf Schwierigkeiten. Bekannt sind solche Typen, - z.B. die im Handel unter dem Namen
"Baldwin Lima Hamilton" bekannte Meßzelle -bei welcher man dieses Problem dadurch
zu beseitigen bemüht ist, daß der druckumformende Teil aus einzelnen Stücken gefertigt
und dann zusammengebaut wird. In der Wlrkungskette des aus mehreren Stücken ausgestalteten
Meßelementes aber entsteht dadurch eine Hysterese und Meßunsicherheiten, welche
den Fehler noch vergrößern. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß an den Paßflächen
Dichtungsprobleme auftreten, deren Liquldierung dann kostspielige Lösungen erfordert.
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Aus der DE-OS 2 531 821 lernt man eine solche Differen-zdruck-
Meßzelle
kennen, die aus einem zylindrischen Gehäuse besteht, welche auf beiden StIrnflAch:n
von Je einer Membrane abgeschlossen wird. Auf diese Membranen wirken zwei verschiedene
Druckwerte ein, während sie selbst durch eine bewegungsfähige Übertragungsstange
miteinander mechanisch verbunden sind. An der Übertragungsstange ist in der Mitte
ein einarmiger Hebel gelenkig angebracht. An dem einarmigen Hebel aber ist ein Blatt
starr befestigt, auf dessen Außenfläche die Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt sind.
Die Meßzelle hat in ihrem durch die Membranen und das elastische Blatt begrenzten
Innenraum - auch In den Bewegungsbahnen für den einarmigen Hebel und die Übetragungsstange
- eine zusammenhängende Flüssigkeitsfüllung.
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Ein Mangel des obigen Vorschlags ist, daß man als Druckaufnahme-Element
sogar zwei Membranen verwenden muß, sodaß die Meßzelle verhäLtnismäßig kompliziert
und teuer wird. Ferner wirkt bei dieser Ausführungsform der Grunddruck auf das mit
den Streifen versehene elastische Blatt ein, was jedoch unerwünscht ist.
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Die Erfindung hat zum Ziel die obigen Mängel zu beseitigen.
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Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, einen solchen
Meßumformer zu schaffen, der in seiner Bauart einfacher und billiger ausgestaltet
ist, ferner ein genaueres Messen sogar bei den kleinen Druck- und Di fferenzdruckwerten
ermöglicht, als die bisher bekannten Lösungen.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist die Erkenntnis, daß die gestellte
Aufgabe gelöst werden kann, wenn die Druckmessung bzw. Differenzdruckmessung so
durchgeführt wird, daß die druckproportionale Kraft von dem direkt unter Druck stehenden
Übertragungselement abgeleitet, und an einem solchen, der Festigkeit nach beliebig
bemessbaren Element, z.B. an
einem Meßbalken detektiert, d.h. abgetastet
wird, der nicht direkt mit dem Druckraum, bzw. mit den Druckräumen in Berührung
steht.
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Die Erfindung ist etn Meßumformer (eine Meßzelle), hauptsächlich zum
Messen kleiner Drücke und Differenzdrücke, bei welcher einen im Gehäuse ausgebildeten
Druckraum, bzw.
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zwei unter verschiedenem Druck stehenden Druckräume ein membraneartlges
Element wenigstens zum Teil begrenzt, bzw.
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trennt, ferner das membraneartige Element über ein druckproportional,
bzw. di fferenzdruckproportlonal verschiebbares Übertragungselement mit einem Meßelement
In Verbindung steht, welches mit einem Dehnungsmeßwiderstand versehen ist.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß das Übertragungselement
ein schelbenartiges, starres'Bauelement ist, das den Druckraum teilweise begrenzt,
bzw. die beiden Druckräume teilweise trennt, und welches mit dem mittleren Teil
des als stangenartiger Bauteil ausgestalteten Meßelementes - der bei einer Verschiebung
des Übertragungselementes das Meßelement exzentrisch zu verdrehen vermag - in starrer
Verbindung steht, wobei die beiden Enden des Meßelementes am Gehäuse starr angeschlossen
sind.
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Bei Di fferenzdruckmeßumformern ist eine solche Ausführung zweckmäßig,
bei welcher das Übertragungelement und das Meßelement ilber einen Hals miteinander
in starrer Verbindung stehen.
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Die Meßgenauigkeit kann noch weiter gesteigert werden, wenn das stangenartige
Meßelement im Bereich der Dehnungsmeßstreifen mit spannungssammelnden VertIefungen
bzw. Öffnungen versehen ist.
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Eine besonders gedrungene und genaue Ausfrihrungsform erhält man dann,
wenn die ganze Meßzelle aus einem einzigen Werk-
stück gefertigt
wird.
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Die Erfindung soll nun anhand der bei gelegten Zeichnungen näher
erläutert werden, wobei die Zeichnungen zwei als Ausführungsmögllchkeiten gewählte
Beispiele zeigen, und zwar: Fig. 1: Differenzdruckmeßumformer gemßder Erfindung,
Seitenansicht; Fig, 2: Ansicht in Fig. 1, in der Pfeilrichtung A ° (um 90 verschwenkt)
gesehen; Fig. 3: Schnitt III-III In Fig. 1 ; Fig. 4: Perspektivisches Bild der Lösung
gemäß Fig. 1-3; Fig.4/A:Eine Variante der Lösung in Fig. 4; Fig. 5: Druckmeßumformer
gemäß der Erfindung, Seitenansicht; Fig. 6: Schnitt VI-VI in Fig. 5; Fig. 7: Schnitt
VII-VII in Fig. 5; Fig. 8: Lösung nach Fig. 5-7, perspektivisch dargestellt; teils
im Schnitt.
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Die ähnlichen Elemente sind mit den gleichen Bezugsnummern in der
Zeichnung bezeichnet Wie aus Fig. 1 zu ersehen, sind in einem Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen
Differenzdruckmeßumformers zwei Druckräume 2 und 3 ausgestaltet. Der Druck im Druckraum
2 wurde mit "p", der im Druckraum 3 mit "p "p bezeichnet. Das Gehäuse 1 ist auf
beidseitigen Stirnflächen 4 für den Anschluß mit Gewindebohrungen 5 versehen.
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Die Druckräume 2 und 3 werden im vorliegenden Falle von einem hufeisenförmigen,
membraneartigen Element 6 zum Teil getrennt, dessen Innenrand starr an einem Scheibenartigen
starren Übertragungselement 7 anschließt. Das starre Übertragungselement
7
wirkt also im vorliegenden Fall einerseits gleichfalls als Raumtrennung, andererseits
durch Einwirkung der Druck differenz (Ap) als ein zu druckproportionalen Verschiebungen
fähiges Übertragungselement. Diese Verschiebung wird durch das membranartige Element
6 ermöglicht. (Die Verschiebung wurde in Fig. 3 mit gestrichelter Linie eingezeichnet).
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Das Übertragungselement 7 steht erfindungsgemäß in starrer Verbindung
mit dem mittleren Teil eines stabenarigen Meßelementes 8, und zwar so, daß bei einer
Verschiebung des Übertragungselementes 7 das Meßelement 8 eine exzentrische Torsion
erleidet. Die beiden Enden des stangenartigen Meßelementes 8 aber stehen mit dem
Gehäuse 1 in starrer Verbindung.
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Nach Fig. 1-4 ist das Meßelement 8 mit dem scheibenartigen Übertragungselement
7 durch einen Hals 9 starr verbunden.
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Der Hals 9 ist am Gehäuse 1 auf beiden Seiten über membraneartige
Befestigungselemente 10 angeschlossen.
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Wie aus der Zeichnung gut zu ersehen, ist im vorliegenden Falle der
ganze D i f Di fferenzdruckmeßumformer aus einem einzigen Stück ausgtstaltet. Damit
gewinnt man nach den Versuchserfahrungen ein sehr gedrungene, einfache, betriebssichere
und hochpräzise Ausführung. Die Dicke d:s Übertragungselementes 7 wurde auf 6 mm
bemessen, die Dicke aber des membraneartigen Elementes 6 und die der Befestigungselemente
10 mit 0,5 mm gewählt. Die Befestigungselemente 10 und auch das stangenartige Meßelement
8 wurden durch Bearbeitung (Aussparung) gestaltet. Das stangenartige Meßelement
8 ist im vorliegenden Falle eine Stange mit quadratischem 6 mm - Querschnitt.
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Das stangenartige Meßelement 8 wurde, an den beiden Enden
beginnend
mit axialen Sacklöchern 11 versehen (ihr Durchmesser beträgt hier 5 mm), die im
Bereich der an sich bekannten Dehnungsmeßwiderstände 12 vorgesehen sind.
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Diese sind dazu bestimmt als spannungssammelnde Stellen zu wirken
und dadurch die Meßgenauigkeit (Empfindlichkeit) des Meßumformers noch zu erhöhen.
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Bei dem funktionellen Arbeiten des Gerätes wird somit durch Einwirkung
des Differenzdrucke u (dp) das Übertragungselement 7 etwa um die durch die Mittelebene
der membraneartigen Befestigungselemente 10 und die Symmetrieachse 13 des Übertragungselementes
7.herausgeschnittene, gedachte Achse 14 in die mit gestrichelter Linie angedeutete
Stellung (Fig. 3) verschoben. (Zu bemerken ist, daß - da das Übertragungselement
7 starr ist, es zugleich auch den Differenzdruck konzentriert.) Dieser Differenzdruck
dp übergibt somit - gleichsam als konzentrierte Kraft - an einem Arm "B" ein auf
die Achse 14 bezügliches Biegungsmoment (p . B) dem Meßelement 8, in welchem er
eine exzentrische Torsion erweckt. Auf diese Weise werden die zur Deformation der
Dehnungsmeßwiderstände 12 erforderlichen Dehnungen in der oberen Zone des Meßelementes
8 von Schubkräften (Fig. 3) zustande gebracht.
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Die Funktion des sich deformIerenden Menelomentes 8, das für die Signalumwandlung
mit den Dehnungswiderständen 12 ausgestattet ist, wird somit von den Funktionen
des zum Teil eine raumabtrennende Rolle spielenden, scheibenartigen Übertragungselementes
7 getrennt.
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Ein wesentlicher Vorteil ist, daß die Deformation des membraneartigen
Elementes 6 und die Verschiebung des Übertregunt3selementes 7 verhältnismäßig kleine
Werte sind. Dies ist dem Umstand zu verdanken, das das Übertragungselement 7 durch
das stangenförmige Meßelement 8 gestützt wird.
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Selbstredend kann das Übertragungselement 7 und das Meßelement 8 auch
in einer anderen geometrischen Ausgestaltung, und auch als Einzelstücke gefertigt
werden, die man danach starr verbinden kann.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß die Dehnungsmeßwiderstände
12 mit dem zu messenden Medium nicht direkt in Verbindung stehen. Auf diese Weise
kann der Wärmeträgheitseffekt des Meßzellen-Innenraumes besser zur Geltung kommen.
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In Fig. 4/A ist eine solche Variante des Differenzdruckumformers zu
sehen, bei welchem eine Abweichung nur insofern vorliegt, als eine stabenförmiges
Meßelement 8 mit schlüssellochartigen Öffnungen 15 versehen ist (die sonstigen Details
stimmen überein).
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In Fig. 5-8 wird ein erfindungsgemäßer Druckmeßumformer gezeigt. Auch
hier hat das Meßgerät ein Gehäuse 1, darin ausgebildet einen einzigen Druckraum
2, und für den Anschluß eine mit Gewinde versehene Bohrung 5. Der Druckraum 2 hat
als Abschluß (zum Teil) ein kreisringförmiges, membraneartiges Element 6 und ein
damit verbundenes scheibenartiges starres Übertragungselement 7.
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Dieses Übertragungselement 7 ist mit dem mittleren Teil eines exzentrisch
angeordneten, stangenförmig ausgeführten Meßelementes 8 starr verbunden. Die beiden
Enden des Meßelementes 8 aber sind am Gehäuse 1 starr angeschlossen. Das Meßelement
8 ist in seinem Teil unterhalb der Dehnunqswiderstände 12 mit spannungssammelnden
Ouerbohrungen 16 versehen.
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Die Arbeitsweise des Druckmeßumformers gemäß Fig. 5-8 ist ähnlich
der Lösung nach Fig. 1-4. Das starre Übertragungselement 7 konzentriert den Druck
"p" des Druckraumes 2, und verschiebt sich zufolge der Druckeinwirkung in die mit
ge-
strichelter Linie eingezeichnete Stellung, während sich das
membraneartige Element 6 elastisch deformiert (Fig.
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7). Da das Übertragungselement 7 mit dem Meßelement 8 starr verbunden
ist, dieses wiederum mit seinen beiden Enden am Gehäuse starr befestigt ist, kippt
das Übertragungselement 7 um die mit 14 bezeichnete gedachte Achse. Durch diese
Kippbewegung gibt das Übertragungselement 7 eine Verdrehung an das stangenartige
Meßelement 8 weiter, dessen - in seiner Außenzone auftretende - Deformation dann
von den Dehnungsmeßwiderständen 12 wahrgenommen, bzw. gemessen wird.
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Die Ausführung in Fig, 5-8 wurde im vorliegenden Falle aus einem einzigen
Stück gefertigt, wodurch man sich die oben bereits erwähnten Vorteile sichern kann.
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