DE3334756C2

DE3334756C2 - Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräftegleichgewicht, vorzugsweise für einen Meßumformer

Info

Publication number: DE3334756C2
Application number: DE3334756A
Authority: DE
Inventors: Yoshikuni Yokohama Kanagawa Doki; Masatoshi Yokosuka Kanagawa Fujiwara; Tatsuhide Zushi Kanagawa Shiga; Mikio Tanaka; Yoshihiro Fujisawa Kanagawa Tsuruoka
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-09-26
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE3334756A1; JPS5960219A; US4502333A; JPH0156686B2

Abstract

Beschrieben ist ein Meßumformer mit Dreikräfteausgleich, der ein verschiebbares Gelenk, ein mit einem Ende an das verschiebbare Gelenk angeschlossenes Eingangskraftübertragungsteil, ein mit einem Ende an das verschiebbare Gelenk angeschlossenes Rückkopplungskraftübertragungsteil und ein flexibles oder biegbares, mit einem Ende an dem verschiebbaren Gelenk befestigtes Meßbereicheinstellungsteil aufweist, welches Meßbereicheinstellungsteil gegen das Eingangskraftübertragungsteil geneigt ist. Um eine Meßbereicheinstellung in weiten Grenzen zu ermöglichen, weist das verschiebbare Gelenk (11) eine zylindrische Fläche (30) auf, die die beiden Kraftübertragungsteile schneidet, und ein Ende des Meßbereicheinstellungsteils (18) ist um die zylindrische Fläche windbar oder von dieser abwickelbar. Bei einer Ausführungsform des zylindrischen verschiebbaren Gelenkes ist ein axial verlaufender Einschnitt mit zueinander senkrechten Seitenflächen vorgesehen, wobei die beiden Kraftübertragungsteile jeweils an den Seitenflächen befestigt sind. Bei dieser Bauweise kann der Meßbereich in weiten Grenzen verändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräftegleichgewicht der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Die Kraftvergleichsvorrichtung dieser Art dient zum Nachweis von Prozeßgrößen, wie Temperatur, Druckflüssigkeitspegel, Strömungsmenge usw., um diese Prozeß- oder Eingangsgrößen in ein Luftdrucksignal, ein elektrisches Signal oder dgl. umzuformen und diese umgeformten Signale beispielsweise an Empfänger oder Steuergeräte weiterzuleiten oder um diese umgeformten Signale an Ort und Stelle zu verwenden. Unter den pneumatischen Geräten, die nach dem Prinzip des Dreikräftegleichgewichts arbeiten, ist ein Gerät bekannt geworden (US-PS 37 42 969), das wie in F i g. 1 dargestellt aufgebaut ist Das in F i g. 1 gezeigte Gerät weist ein Meßwerk A und eine Umformereinheit ßauf. Das Meßwerk A enthält ein Druckgefäß 1 mit druckempfindlichen Membranen 2 und 3 an seinen beiden Seiten. Flüssigkeit 4, wie beispielsweise Silikonöl, ist dicht verschlossen in dem Druckgefäß 1. Das untere Ende einer Drucksignalgeberstange 5 ist in das Druckgefäß 1 eingefügt und der aus dem Druckgefäß 1 herausragende Teil der Stange 5 sitzt schwenkbar und hermetisch abgedichtet in dem Gefäß 1, wozu ein bekanntes Torsionsrohr 6 verwendet ist Das innen liegende Ende der Stange 5 ist an die inneren Seiten der druckempfindlichen Membranen 2 und 3 über ein Band 7 angeschlossen.

Wenn folglich ein hoher Druck Ph und ein niederer Druck Pl jeweils auf die Membranen 2 und 3 ausgeübt werden, bewegen sich diese Membranen entsprechend dem Gefälle zwischen diesem hohen und diesem niedrigen Druck. Durch diese Verschiebung bewegt sich die dicht abgeschlossene Flüssigkeit 4 von der Hochdruckseite zu der Niederdruckseite, so daß sich die Drucksignalgeberstange 5 um den Schwenkpunkt 0 in der Nähe des Torsionsrohres 6 neigt und ein Differenzdrucksignal gewonnen werden kann.

Die Umformer- oder Wandlereinheit B weist ein verschiebbares Gelenk 11 auf, an dem ein Ende eines Eingangskraftübertragungsteil 10 angeschlossen ist Das andere Ende des Eingangskraftübertragungsteils 10 ist an die Drucksignalgeberstange 5 angeschlossen. Ein Ende eines Kraftübertragungsteils 12, das Mittel zur Übertragung einer Rückkopplungskraft umfaßt ist ebenfalls an das verschiebbare Gelenk 11 angeschlossen. Das Kraftübertragungsteils 12 liegt senkrecht zu dem Eingangskraftübertragungsteil 10. Das andere Ende des Kraftübertragungsteil 12 ist an ein Ende eines Rückkopplungs-Waagebalkens 14 angeschlossen. In -einem Zwischenpunkt is*, der Waagebalken 14 schwenkbar in einem Lager 13 gelagert In der Nähe des anderen Endes des Rückkoppiungs-Waagebalkens 14 sind eine Auslaßdüse 15, eine Nulleinstellungsfeder 16 und ein Rückkopplungs-Federbalg 17 vorgesehen. Die Auslaßdüse 15 liegt der unteren Fläche des Rückkopplungs-Waagebalkens 14 gegenüber, wobei zwischen beiden Teilen ein kleiner Spalt vorhanden ist Der durch die Auslaßdüse 15 erzeugte Gegendruck wird durch ein Luftsteuerrelais (pneumatischer Verstärker) verstärkt und wird den Rückkopplungsfederbälgen 17 zugeführt so daß normalerweise der Rückkopplungs-Waagebalken 14 mit der Drucksignalgeberstange 5 im Gleichgewicht gehalten wird. Ein Ende eines Drahtes 18 zur Meßbereichseinstellung, der sich in einer Richtung erstreckt die sich von der Richtung des Kraftübertragungsteiles 12 unterscheidet, ist ebenfalls an das verschiebbare Gelenk 11 angeschlossen, während das andere Ende des Drahtes 18 in einer bogenförmig um das Gelenk 11 verlaufenden Nut 19 gehalten wird.

Durch die an dem verschiebbaren Gelenk U angreifenden Kräfte wird folglich in der Umformereinheit B ein Kraftvektorensystem erzeugt das auf der Grundlage von trigonometrischen Funktionen berechenbar ist. Wenn insbesondere eine durch den Ausgang des Meßwerkes A verursachte Kraft Fi, die bestrebt ist, das äußere Ende der Drucksignalgeberstange 5 zu neigen, über das Eingangskraftübertragungsteil 10 auf das verschiebbare Gelenk 11 ausgeübt wird und dieses Gelenk 11 nach rechts (bezogen auf die Darstellung der F i g. 1) drückt, werden in Richtung des Meßbereicheinstelldrahtes 18 und in Richtung des Kraftübertragungsteiles 12 in der Nähe des Gelenkes 11 in Zentrifugalrichtung Reaktionskraftkomponenten F> und Fs zur Kraft Fi erzeugt.

Die Kraftkomponente Fj wird durch die Gleichung

F₃ = F] ■ tan θ

gegeben. Diese Kraft versucht das rechte Ende des Rückkopplungs-Waagebalkens 14 am unteren Ende des

Bewegungsübertragungsteiles 12 anzuheben, so daß der Rückkopplungs-Waagebalken 14 sich um das Lager 13 im Gegenuhrzeigersinn dreht und der Spalt zwischen dem Rückkopplungs-Waagebalken 14 und der Auslaßdüse 15 verkleinert wird. Infolgedessen erhöht sich der Gegendruck der Auslaßdüse 15, und es entsteht ein Ausgangsdruck Pom. der der Kraft Fi entspricht. Dieser Ausgangsdruck wird nach außen als Luftdrucksignal durch ein Rohr 23 und an die Rückkopplungsfederbälge 17 geleitet. Der Rückkopplungs-Waagebalken 14 dreht sich daher im Uhrzeigersinn um das Lager 13, um die Kraftkomponente F3, d. h. die durch die Drucksignalgeberstange 5 aufgebrachte Kraft Fi, zu kompensieren.

Wenn das äußere Ende des Meßbereichseinsteliungsdrahtes 18 entlang der bogenförmigen Nut 19 bewegt wird, um den Winkel θ zwischen dem Draht 18 und dem Eingangskraftübertragungsteil 10 zu variieren, ändern sich die Kraftkomponenten F2 und F3 entsprechend der Änderung des Winkels Θ, mit dem Ergebnis, daß der Verstärkungsfaktor und somit der Meßbereich geändert wird.

Da bei solchen Kraftvergleichsvorrichtungen mit Dreikräftegleichgewicht nach dem Stand der Technik ein Federlager an der Gelenkstelle zwischen dem Meßbereich-EinsieHungsdraht 18 und dem verschiebbaren Gelenk 11 verwendet wird, um die Reibungsverluste klein zu halten, ist es aus konstruktionstechnischer Sicht unmöglich, den Einstellwinkel θ des Meßbereicheinstelldrahtes 18 im großen Umfang zu ändern. Änderungen sind üblicherweise auf etwa 10° beschränkt Der Nachteil dieser Vorrichtungen nach dem Stand der Technik liegt somit darin, daß der Meßbereich eng begrenzt ist. Zur Behebung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, die Rückkopplungsfederbälge 17 doppelwandig auszubilden und in zwei Stufen die Rückkopplungskraft mit Hilfe eines Meßbereichwahlschalters 24 zu ändern, um auf diese Weise den Gesamtmeßbereich zu vergrößern. Zu diesem Vorschlag sind jedoch innere und äußere Federbälge 17A und 17Z? und ein Meßbereichswahlschalter 24 erforderlich, so daß die Konstruktion kompliziert wird und hohe Herstellungskosten verursacht. Darüber hinaus tritt beim Umschalten des Meßbereichs eine Nullpunktverschiebung auf.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde eine Kraftvergleichsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen möglichst großen Gesamtmeßbereich ausgezeichnet und gleichwohl möglichst einfach herzustellen ist. Bei der Vorrichtung soll des weiteren die Meßbereichsumschaltung möglichst einfach und problemlos vor sich gehen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben.

Ein Mechanismus mit Dreikräftegleichgewicht weist ein verschiebbares Gelenk, ein Eingangskraftübertragungsteil sowie ein Rückkopplungskraftübertragungsteil auf. Jeweils ein Ende des Eingangskraftübertragungsteils und des Rückkopplungskraftübertragungsteils sind an das verschiebbare Gelenk angeschlossen. Des weiteren ist ein flexibles oder biegbares Meßbereicheinstellungsteil mit einem Ende an dem verschiebbaren Gelenk befestigt. Das Meßbereicheinstellungsteil ist gegen das Eingangskraftübertragungsteil geneigt. Das verschiebbare oder bewegliche Gelenk weist eine zylindrische Fläche auf, die von den beiden Kraftübertragungsteilen (Eingangskraftübertragungsteil und Rückkopplungskraftübertragungteil) geschnitten wird. Ein Ende des Meßbereicheinstellungsteils ist um die zylindrische Fläche des verschiebbaren Gelenkes gelegt so daß sie — je nach Bewegungsrichtung — auf die zylindrische Fläche aufgewickelt oder von dieser abgewickelt wird.

Bei der Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräftegleichgewicht wird ein verschiebbares Gelenk mit einer zylinderförmigen, im Querschnitt kreisförmigen Außenfläche verwendet. Ein Ende des Meßbereicheinstellungsteils ist an die (zylinderförmige) Außenfläche angeschlossen, so daß beim Umschalten des Meßbereiches das Einstellteil um die Außenfläche gewickelt oder von dieser abgehoben wird. Es ist folglich möglich, den Meßbereich in weiten Grenzen zu variieren. Wenn das äußere Ende des Meßbereichseinstellungsteils an ein Schwenkteil angeschlossen ist das um den Mittelpunkt eines im wesentlichen kreisförmigen von dem freien Ende des Teiles durchlaufenden Bogen schwenkbar ist, kann das Gerät einfach hergestellt und bedient werden, und die Meßbereichsumschaltung kann mit Hilfe eines Knopfes vorgenommen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den F i g. 2 und 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele in Gegenüberstellung zu einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß F i g. 1 erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Dreikräf-

tevergleichsvorrichtung nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 einen Teil einer Ausführungsform, der insbesondere ein verschiebbares Gelenk enthält, und

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform des in F i g. 2 gezeigten Vorrichtungsteils.

In dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräftegleichgewicht ist ein verschiebbares Gelenk zu erkennen, wobei Bauelemente, die den in F i g. 1 dargestellten entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Wie zu erkennen, weist das verschiebbare Gelenk einen teilweise kreiförmigen Querschnitt auf, wobei ein Viertel des Kreises ausgeschnitten ist. Das Gelenk 11 weist somit eine sich über einen Winkel von etwa 270° erstreckende bogenförmigen Außenfläche 30 und zueinander senkrechte Ebenen 31 und 32 auf, die bis zum Mittelpunkt der Gelenkachse 11 reichen. Jeweils ein Ende des Eingangskraftübertragungsteils 10 und des Rückkopplungskraftübertragungsteils 12 ist an den Ebenen 31 und 32 befestigt. Ein Ende 18a des flexiblen oder biegbaren Meßbereicheinstellteils (das aus einem flexiblen Draht oder Streifen besteht) 18, ist durch eine Schraube 33 an einem Teil der zylindermantelförmigen Fläche 30 in der Nähe der Ebene 32 befestigt. Das andere, äußere Ende \%b des Meßbereicheinstelldrahtes 18 sitzt gleitbar in der bogenförmig verlaufenden Nut 19. Wenn folglich das äußere Ende 186 entlang der bogen-

si förmigen Nut 19 in der Richtung des Pfeiles P bewegt wird, wird das innere Ende 18a des Meßbereicheinstellteils 18 um die zylinderförmige Mantelfläche 30 der verschiebbaren Gelenkachse 11 gewunden. Wenn dagegen das äußere Ende 186 in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil P bewegt wird, wird das innere Ende 18a abgewickelt, wodurch die Länge des Teiles 18 vergrößert wird. Das äußere Ende 186 bewegt sich somit auf einer Evolvente. Aus diesem Grund verläuft die Nut 19 ebenfalls längs dieser Evolvente. Eine Skala 35 zur Einstellung des Meßbereichs ist entlang der Nut 19 angebracht. Der Aufbau der übrigen Teile ist im wesentlichen der gleiche wie in F i g. 1 gezeigt, abgesehen davon, daß die Rückkopplungsfederbälge 17 einwandig ausge-

führt sind, und daß der Meßbereichwahlschalter 24 entfällt

Diese Bauweise ermöglicht eine leichte und sprungfreie Änderung des Winkels θ zwischen dem Meßbereicheinstellteil 18 und dem Kraftübertragungsteil 10 in einem Bereich von 0°—90°, so daß der Meßbereich in weiten Grenzen variiert werden kann. Da anders als beim Stand der Technik es nicht erforderlich ist, einen doppelwandigen Federbalg zu verwenden, kann eine Messung mit hoher Präzision ohne Nullpunktverschiebung durchgeführt werden.

F i g. 3 zeigt ein modifiziertes verschiebbares Gelenk bei einer anderen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsvariante wird anstelle einer evolventenförmig verlaufenden Nut 19, wie sie in Fig.2 gezeigt war, ein Schwenkarm 40 vorgesehen, an dessen Außenende das äußere Ende 18£> des Meßbereicheinstellteils 18 angeschlossen ist. Der Schwenkarm 40 ist um den Mittelpunkt einer halbkreisförmigen Bahn 41 schwenkbar, auf

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teils 18 bewegt. Der zentrale Teil des Schwenkarmes 40 weist Zähne 45 auf, die mit einem Ritzel 44 kämmen. Auf der Welle 46 des Ritzels 44 ist ein Knopf 47 angeordnet. Wenn folglich der Knopf 47 gedreht wird, wird der Arm 40 über das Ritzel 44 verschwenkt, so daß der Winkel zwischen dem Meßbereicheinstellteil 18 und dem Eingangskraftübertragungsteil 10 und somit der Meßbereich geändert wird.

Bei dieser modifizierten Bauweise ist die Umschaltung des Meßbereichs einfach. Da darüber hinaus die durch das äußere Ende 186 des Meßbereicheinstellteils

18 beschriebene Evolvente an einen Kreisbogen angenähert ist und da das Zentrum dieses Kreisbogens als Drehzentrum für den Schwenkarm 40 verwendet ist, ist es nicht erforderlich, eine bogenförmig verlaufende Nut

19 vorzusehen, die eine Skala 35 aufweist, wie in dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Wenngleich die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sich auf eine Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräfteausgleich bezogen, bei der ein Düse-Prallplatte-System zum Nachweis der Stellung des Waagebalkens verwendet wurde, ist die Erfindung auf diese Ausführungsformen nicht beschränkt, sondern kann auf verschiedene Arten von Kraftvergleichseinrichtungen angewandt werden, die elektrische Einrichtungen für den Rückkopplungs-Waagebalken und für die Ausübung der Rückkopplungskraft aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Kraftvergleichsvorrichtung mit Dreikräftegleichgewicht, vorzugsweise für einen Meßumformer, welche Kraftvergleichsvorrichtung ein verschiebbares Gelenk, ein mit einem Ende an das verschiebbare Gelenk angeschlossenes Eingangskraftübertragungsteil, ein mit einem Ende an das verschiebbare Gelenk angeschlossenes Rückkopplungskraftübertragungsteil und ein flexibles, mit einem Ende an dem verschiebbaren Gelenk befestigtes Meßbereicheinstellungsteil aufweist, wekhes Meßbereichseinstellungsteil gegen das Eingangskraftübertragungsteil geneigt ist dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Gelenk (11) eine zylindrische Fläche (30) aufweist, die die beiden Kraftüber tragungsteile schneidet, und daß ein Ende des Meßbereicheinstellungsteils (18) um die zylindrische Fläche windbar oder von dieser abwickelbar ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gelenk einen Einschnitt mit zueinander rechtwinkligen Seitenflächen (31, 32) aufweist, und daß das genannte eine Ende des Eingangskraftübertragungsteils 10 und das genannte eine Ende des Rückkopplungskraftübertragungsteils (12) mit den jeweiligen Seitenflächen (31, 32) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine bogenförmig verlaufende Nut (19) mit einer sich entlang der Nut erstreckenden Skaleneinteüung (35) aufweist, und daß das andere Ende des Meßbereicheinstellungsteils (18) längs der Nut (19) bewegbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schwenkarm (40) und einen Knopf (47) zum Verschwenken des Schwenkarmes (40) um seine Drehachse aufweist, und daß das andere Ende des Meßbereicheinstellungsteils (18) von einem freien Ende des Schwenkarmes (14) getragen wird.