DE3341987C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Differenzdruckmeßzelle mit den Merk­ malen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.

Eine solche Differenzdruckmeßzelle dient dazu, die Differenz zwischen zwei Drücken P₁ und P₂ meßtechnisch zu ermitteln und in ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Signal umzuwandeln. Dazu ist in der Meßzelle eine Meßmembran untergebracht, die in einem mit inkompressiblen Medium wie Silikonöl gefüllten Meßzel­ lenraum angeordnet und beiderseits von den Meßdrücken beaufschlagt ist.

Um die Meßmembrane und damit verbundene Einrichtungen wie Wegmeß­ systeme beim Anliegen einseitig hoher Drücke vor Beschädigungen zu bewahren, ist eine Überlastsicherung vorgesehen.

Aus der DE-AS 22 61 664 ist eine Überlastsicherung bekannt, die mit einem Ventilsystem arbeitet, welches beim Überschreiten des zulässigen Meßbereiches eine Druckzuleitung abschließt. Solche Überlastsicherungen haben außer ihrer aufwendigen und platzrauben­ den Bauart den Nachteil, daß bei langanhaltender Überlast eine Leckage aus dem abgeschlossenen Druckraum auftreten kann. Damit kann ein zu hoher Druck innerhalb der Meßkammer auftreten, was zu Schäden am eigentlichen Meßsystem führen kann.

Die aus der DE-PS 26 59 376 bekannten Überlastsicherungen mit Trennmembranen weisen ebenfalls wesentliche Nachteile auf. Vor allem kann hier die mit einer endlichen Steife behaftete Überhub­ membran auch innerhalb des nominellen Arbeitsbereiches Bewegungen entsprechend dem Differenzdruck ausführen. Dadurch wird dem eigentlichen Meßsystem Meßenergie entzogen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Steife der Überhubmembran relativ genau festgelegt sein muß.

Eine Differenzdruckmeßzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffes vom Patentanspruch 1 ist aus der DE-AS 26 31 025 bekannt. Durch das dort beschriebene Trennmembran-Überlastbett-System werden Undichtigkeitsprobleme vermieden. Beim Auftreten einer Überlast legt sich die dem höheren Druck ausgesetzte Trennmembran an die als Überlastbett ausgebildete Stirnwand des Meßzellenraumes an und verdrängt dabei die in einer äußeren Druckkammer befindliche Flüssigkeit durch eine Bohrung in eine innere Druckkammer, deren Volumen sich durch das Ausweichen einer beweglichen Ringmembran mit der darin befestigten Meßkammer soweit vergrößert, daß der auf die Meßmembran in der Meßkammer ausgedrückte Druck innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Allerdings kann die auslösende Kraft der Überlastsicherung bei dieser Anordnung nicht genau und reproduzierbar festgelegt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Differenzdruck­ meßzelle so auszubilden, daß die Nachteile der bekannten Geräte vermieden werden und die Überlastsicherung in eindeutiger und reproduzierbarer Weise arbeitet, ohne daß der fertigungstechnische Aufwand und der Platzbedarf des Gerätes zu groß werden.

Diese Aufgabe wird von einer Differenzdruckmeßzelle der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Kennzeichens von Patentan­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein zweiter Ring vorgesehen, welcher mittels einer weiteren Feder an einer gegenüberliegenden Wand des Meß­ zellenraumes abgestützt ist und welcher beim Auftreten von Über­ druck ebenfalls eine translatorische Bewegung in Richtung der dem Differenzdruck entsprechenden Kraft und entgegen der Rückstell­ kraft der Feder ausführt, wobei sich der erste Ring an dem zweiten Ring abstützt. Dadurch wird erreicht, daß die Auslösekräfte der Überlastsicherung durch entsprechende Wahl und Bemessung der die Ringe belastenden Federn eindeutig, genau und reproduzierbar festgelegt werden können. Es wird auch keine zusätzliche Meßener­ gie für die Bewegung einer steifen Überhubmembran oder dergleichen verbraucht.

Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Dif­ ferenzdruckmeßzelle mit einer Überdruck­ sicherung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 zeigt schematisch im Querschnitt eine Dif­ ferenzdruckmeßzelle nach einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Differenzdruckmeßzelle besteht aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Gehäusehälften 1 und 1′, die mit Einlaßöffnungen 2 bzw. 2′ zur Zuführung der Drücke P₁ und P₂ versehen sind. Zwi­ schen den Randflanschen der Gehäusehälften 1 und 1′ sind die ebenfalls spiegelbildlich zueinander angeord­ neten Meßzellenhälften 3 und 3′ der eigentlichen Druck­ meßzelle eingespannt. Diese Druckmeßzelle wird beider­ seits von Vorlagemembranen 4 bzw. 4′ begrenzt, die sich in entsprechende Membranbetten 5 bzw. 5′ der Meßzellen­ hälften 3 bzw. 3′ einlegen können.

In der Druckmeßzelle ist ein von zwei gegenüberlie­ genden Aussparungen 6, 6′ der Meßzellenhälften 3 bzw. 3′ umgrenzter Meßraum 7, 7′ vorgesehen, welcher vollständig mit einem inkompressiblen Medium, vorzugsweise mit Sili­ conöl gefüllt ist. Der Meßraum 7, 7′ enthält eine Meßmembrane 8, deren verhältnismäßig kleine Bewegungen von einem Wegmeßsystem, z. B. von einem Querankergeber 9, erfaßt werden.

Die beiderseits der Meßmembrane 8 liegenden Teile 7 bzw. 7′ des Meßraumes sind durch Kanäle 10 bzw. 10′ mit den Vorlageräumen 11 bzw. 11′ zwischen den Vorlage­ membranen 4 bzw. 4′ und deren Membranbetten 5 bzw. 5′ verbunden.

Wenn nun zwischen den beiden anliegenden Drücken P₁ und P₂ eine Druckdifferenz auftritt, so wird diese Druck­ differenz über die Vorlagemembranen 4, 4′ und die Kanäle 10, 10′ durch das inkompressible Füllmedium auf die Meßmembrane 8 übertragen und dort entsprechend der Gesamtfedersteife des Systems in einen Weg umgewandelt. Solange sich der Differenzdruck innerhalb der zulässigen Grenzen bewegt, kann die Meßmembrane 8 keinen Schaden nehmen. Tritt jedoch ein einseitiger Überdruck, d. h. ein zu großer Differenzdruck auf, so würde die Meßmembrane 8 über das zulässige Maß hinaus verformt werden.

Um eine solche übermäßige Verformung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß eine besondere Überdrucksicherung vorgesehen.

Zu diesem Zweck wird eine Überdrucksicherung verwendet, bei der die eigentliche Meßmembrane 8 quer verschiebbar gelagert ist. Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Aus­ führungsbeispiel ist die Meßmembrane 8 seitenverschieb­ bar in einem Ring 12 aufgehängt, der sich über eine Feder 13 einerseits gegen die Wand der Aussparung 6 der Meßzellenhälfte 3 und andererseits gegen einen zwei­ ten Ring 14 abstützt, welcher innerhalb der Aussparung 6′ der Meßzellenhälfte 3′ verschiebbar angeordnet ist. Der Ring 14 wird über eine Feder 15 gegen eine eindeutig festgelegte Innenkante 16 der Meßzellenhälfte 3′ angelegt. Eine Membrane 17, welche zwischen dem Ring 12 und dem Vorsprung der Innenkante 16 eingespannt ist, dient dazu, die beiden Ölvolumina innerhalb der Gehäusehälften 3 und 3′ gegeneinander zu trennen, so daß nach einem Überhub die ursprüngliche Nullage wieder eindeutig eingenommen wird.

Die vorstehend beschriebene und in Fig. 1 gezeigte Differenzdruckmeßzelle arbeitet wie folgt: Wenn z. B. am Einlaß 2′ ein einseitiger Überdruck P₂ auftritt, so wird das Ölvolumen aus dem Raum 11′ über den Kanal 10′ hin zur Meßmembrane 8 verschoben. Sobald der Druck P₂ einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird der Ring 12 mit der eingespannten Meßmembrane 8 gegen die Kraft der Feder 13 verschoben. Diese Verschiebung muß durch die Wahl entsprechender geometrischer Abmessungen so mög­ lich sein, daß die Vorlagemembrane 4′ sich vollständig in das zur Gehäusehälfte 3′ gehörende Bett 5′ legen kann. Der Ring 14 bleibt dabei unverändert in seiner ursprünglichen Lage. Tritt dagegen am Einlaß 2 ein un­ zulässiger Überdruck P₁ auf, so erfolgt eine Bewegung in Richtung der Gehäusehälfte 3′. Dabei wird der Ring 14 durch die Kraft auf die Meßmembrane 8 und die Ringfläche des Ringes 12 von der Anlagekante 16 abgehoben. Die Verschiebung des Ringes 14 erfolgt so weit, daß die Mem­ brane 4 vollständig am Membranbett 5 der Gehäusehälfte 3 anliegt. Um die Wirkung zu gewährleisten, muß die Kraft der Feder 13 so gewählt werden, daß für den Fall P₂ < P₁ der Ring 12 sicher am Anschlagring 14 anliegt. Entsprechend muß die Kraft der Feder 15 groß genug sein, um den Ring 14 gegen die Kraft des zulässigen Differenzdruckes und der Feder 13 gegen die Kante 16 anzulegen. Dabei wird erreicht, daß die Kräfte, bei denen ein Auslösen der Überdrucksicherung stattfindet, durch entsprechende Wahl der Federn 13 bzw. 15 eindeutig und innerhalb enger Grenzen vorgewählt werden können. Falls der maximal zulässige Weg der Meßmembran 8 bzw. des Querankergebers 9 kleiner ist als der für den Überhub benötigte maximale Weg, müßten die in den Meßzellenhälf­ ten 3 bzw. 3′ untergebrachten Teile des Wegaufnehmer­ systems ebenfalls federnd gegen Anschläge aufgehängt sein.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Er­ findung schematisch dargestellt. Grundsätzlich entspricht der Aufbau dieser Differenzdruckmeßzelle dem in Fig. 1 gezeigten Gerät, wobei in Fig. 2 für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen 1, 1′ . . . 11, 11′ wie in Fig. 1 verwendet worden sind. Abweichend von Fig. 1 ist bei dem Gerät gemäß Fig. 2 als Membranhalter ein ver­ schiebbarer Ring 18 in dem auch die Meßmembran 8 enthal­ tenden, in den Meßzellenhälften 3, 3′ ausgesparten Meß­ raum 7, 7′ angeordnet. Der Ring 18 stützt sich einerseits über eine Feder 19 an der Innenwand der Aussparung 6 ab und legt sich andererseits mittels eines Vorsprunges 20 an einen zweiten, ebenfalls verschiebbar gelagerten Ring 21, welcher selbst mittels einer Feder 22 gegen eine ortsfeste Kante 23 der Meßzellenhälfte 3 gedrückt wird.

Die Feder 19, die im Normalbetrieb die eindeutige Lage des Membranhalteringes 18 fixiert, muß bezüglich ihrer Kraft so gewählt werden, daß, solange keine einseitige Überlastung vorliegt, das System durch die Feder 22 sicher in der Normallage gehalten wird. Tritt ein zu hoher Druck P₂ auf, wird der Membranhaltering 18 gegen die Kraft der Fe­ der 19 so lange verschoben, bis sich die Vorlagemembrane 4′ in das Membranbett 5′ der Meßzellenhälfte 3′ eingelegt hat. Bei einem erhöhten Überdruck P₁ wird gegen die Kraft der Feder 22 der zweite Ring 21 zusammen mit dem Membran­ haltering 18 entgegengesetzt verschoben. Unterschreitet der Differenzdruck bei P₁ < P₂ wieder den zulässigen Grenzwert, so sorgt die Feder 22 für eine sichere Anlage an der orts­ festen Kante 23 und damit für die eindeutig fixierte Normal­ lage. Die Abdichtung zwischen den beiden Räumen 7, 7′ der Meßzellenhälften 3, 3′ erfolgt durch vorzugsweise weichdichtende Dichtelemente 24 und 25. Die Reibung dieser Dichtelemente ist für die Funktion der Überdruck­ sicherung nicht von Bedeutung, sofern relativ weite Grenz­ werte nicht überschritten werden. Vorausgesetzt wird dabei, daß die zum Verschieben des Ringes 21 bzw. des Membranhalteringes 18 notwendige Kraft geringer ist als die maximal zulässige Kraft an der Meßmembrane 8. Auch bei dieser Ausführungsform lassen sich die Auslösekräfte für die Überdrucksicherung durch die Wahl entsprechender Federn 19, 22 eindeutig festlegen. Außerdem hat diese Ausführungsform den Vor­ teil, daß keinerlei Meßenergie für irgendwelche Überhub­ sicherungen wie Stützmembranen verlorengeht.

In jedem Falle soll angestrebt werden, das Ölvolumen im Innern der Meßzelle möglichst klein zu halten, damit der Einfluß der Temperatur auf ein Minimum reduziert wird.

Claims (6)

1. Differenzdruckmeßzelle, mit einem Meßzellenraum (7, 7′), der mit einem inkompressiblen Medium, insbesondere Silikon­ öl, gefüllt ist, und der von einer Meßmembran (8) in zwei Teilräume unterteilt ist, deren jeder nach außen durch je eine von außen durch einen den Differenzdruck fest­ legenden Druck beaufschlagbare Vorlagemembran (4, 4′) abgeschlossen ist, mit je einem jeder Vorlagemembran zugeordneten Membranbett (5, 5′), an dem sich die jeweilige Vorlagemembran im Überlastfall abstützt, sowie mit einer mit der Meßmembran gekoppelten Ring-Feder- Anordnung derart, daß ein mit der Meßmembran verbundener erster Ring (12, 18) beim Auftreten von Überdruck gemeinsam mit der Meßmembran eine translatorische Bewegung in Richtung der dem Differenzdruck entsprechenden auf die Meßmembran einwirkenden Kraft ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Ring (14, 21) vorgesehen ist, welcher mittels einer weiteren Feder (15, 22) an einer dem Ring gegenüberliegenden Innenwand des Meßzellenraumes (7, 7′) abgestützt ist und welcher beim Auftreten von Überdruck ebenfalls eine translato­ rische Bewegung in Richtung der dem Differenzdruck entsprechenden Kraft und entgegen der Rückstellkraft der Feder (15, 22) ausführt, wobei der erste Ring (12, 18) am zweiten Ring (14, 21) abgestützt ist.

2. Differenzdruckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßmembran (8) in dem ersten, in deren Längsrichtung angeordneten Ring (12) aufgehängt ist und normalerweise gegen den zwei­ ten, parallel dazu angeordneten Ring (14) gehalten wird, welcher von der Feder (15) gegen eine ortsfeste Anschlagkante (16) gedrückt wird.

3. Differenzdruckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßmembran (8) in dem ersten, in deren Querrichtung angeordneten Ring (18) aufgehängt ist und normalerweise von einem Vor­ sprung (20) gegen eine Seitenfläche des zweiten, pa­ rallel zu dem Ring (18) angeordneten Ringes (21) ge­ halten wird, welcher von der Feder (22) gegen eine ortsfeste Anschlagkante (23) gedrückt wird.

4. Differenzdruckmeßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Ring (12) und der Gehäusewand des Meßzellenraumes (7, 7′) eine Trennmembran (17) eingespannt ist.

5. Differenzdruckmeßzelle nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ring (21) gegen den ersten Ring (18) und gegen die Innenwand des Meßzellenraumes (7, 7′) durch weichdich­ tende Dichtelemente (24, 25) abgedichtet ist.

6. Differenzdruckmeßzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembrane (8) mit einem für kleine Wege ausgeleg­ ten Wegmeßsystem (9) zum Erfassen der Membranauslen­ kungen verbunden ist.