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Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer, mit
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zumindest einem in einem Gehäuse angeordneten AXeßelement sowie einer
das Gehäuse gegen das zu vermessende Medium abdichtenden Membrane, welche mit dem
Meßelement zur Übertragung des zu messenden Druckes in Verbindung steht und an der
de zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite eine den biegsamen Bereich der Membrane
zumindest teilweise übergreifende, im Bereich des Mittelteils der Membrane an dieser
befestigte und von dort aus in radialer Richtung frei bewegliche Thermoschutzscheibe
aufweist.
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Derartige Druckaufnehmer, wie sie beispielsweise aus der AT-PS 264
156 oder auch aus der DE-OS 30 26 617 bekannt sind, werden vorwiegend zur Druckmessung
an Medien mit stark wechselnden Temperaturbelastungen, beispielsweise in Brennräumen
von Verbrennungskraftmaschinen, Raketen, Explosionskammern usw., verwendet.
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Infolge der Tatsache, daß die das Gehäuse gegen das zu vermessende
Medium abdichtende Membrane einerseits mit dem Gehäuse des Druckaufnehmers und andererseits
mit dem Meßelement selbst unmittelbar kraftschlüssig in Verbindung steht, wirken
sich Spannungsänderungen in der Membrane, beispielsweise hervorgerufen durch das
Auftreten von plötzlichen Temperaturstößen während des Meßvorganges, unmittelbar
in einer Anderung der auf das Meßelement wirkenden Kraft und somit in einem Fehler
in der eigentlichen Druckmessung aus.
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Um die Auswirkungen dieser Temperaturstöße, die sogenannte Temperaturschockdrift,
möglichst auszuschalten ist es aus den genannten Druckschriften bekannt, eine Thermoschutzscheibe
an der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite vorzusehen, welche zumindest
die
thermisch höchstbeanspruchten Teile der Membrane übergreift, jedoch zu diesen einen
relativ großen Spalt aufweist. Bei derartigen Anordnungen ist das Kompensationsverhalten
gegenüber Temperaturstößen, durch Verhinderung der direkten Umsetzung von derartigen
Temperaturstößen in Spannungsänderungen der Membrane, in hohem Maße davon abhängig,
ob bzw. bis zu welchem Grade der Spalt zwischen Thermoschutzscheibe und Membrane
bereits verunreinigt ist, was im Meßbetrieb nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil
dieser bekannten Ausbildungen ist dadurch gegeben, daß bei der Bewegung der Membran
im Meßbetrieb insbesonders bei höherfrequenten Druckschwankungen ziemliche Gasaustauschbewegungen
in den und aus dem Spalt auftreten, die unter Umständen die Temperatur der Membran
zusätzlich sehr aufschaukeln können.
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Weiters ist beispielsweise aus der AT-PS 258 610 ein Druckaufnehmer
bekannt, bei dem die Thermoschutzscheibe direkt und auf nicht näher bezeichnete
Weise an der Außenseite der Membrane bzw. in einer an der Außenseite vorgesehenen
Vertiefung befestigt ist, womit im wesentlichen keine zufriedenstellende Lösung
des genannten Problems erzielt werden kann, da bei Auftreten von Temperaturstößen
auftretende kurzzeitige Dehnungen in der Thermoschutzscheibe voll auf die Membrane
übertragen werden, was eine zufriedenstellende Kompensation der Temperaturschockdrift
unmöglich macht.
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Zu beispielsweise aus der DE-OS 16 48 551 bekannten Druckaufnehmern
ist als wesentlicher Nachteil anzuführen, daß dort eine relativ kompliziert ausgebildete
Thermoschutzscheibe in einen eigens an der Außenseite der Membrane angebrachten
Tragering eingesetzt wird, wobei die Thermoschutzscheibe nur an ihrem Rand in Zusammenwirkung
mit diesem Tragering gehalten wird.
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Dabei ergeben sich naturgemäß große Probleme mit im Betrieb des Druckaufnehmers
auftretenden Dehnungen der einzelnen Bauteile relativ zueinander, was auch bei größter
Genauigkeit in den Bearbeitungstoleranzen kaum
beherrschbare Probleme
im praktischen Meßbetrieb ergibt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile
der bekannten Druckaufnehmer zu vermeiden und insbesonders einen Druckaufnehmer
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die negativen Auswirkungen der Temperaturschockdrift
auf einfache und zuverlässige Weise beseitigt werden können und daß besonders auch
die Nachteile, die sich durch eine Verkokung bzw. Verschmutzung eines Spalts zwischen
Thermoschutzscheibe und Membrane ergeben können, ausgeschaltet sind.
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Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß
die Thermoschutzscheibe in ihrem radial frei beweglichen Bereich unmittelbar an
der Oberfläche des biegsamen Bereiches der Membrane anliegt. Da die Befestigung
der die außenliegende Membranoberfläche zumindest teilweise übergreifenden, dünnen
Thermoschutzscheibe nur in der Membranmitte erfolgt, können sich durch Tenperaturstöße
hervorgerufene Dehnungen in der Thermoschutzscheibe nur in dieser selbst durch eine
entsprechende Deformation in radialer Richtung auswirken; die dahinter liegende
Membrane bleibt von derartigen Temperaturstößen unbeeinflußt. Über eine Variation
der Größe bzw. Ausdehnung sowie der unter Umständen auch nicht durchgehend gleichmäßigen
Dicke der Thermoschutzscheibe kann die Kompensationswirkung beeinflußt werden, was
bei der Entwicklung neuer Druckaufnehmer eine optimale Anpassung an die speziellen
Gegebenheiten erlaubt. Die dünne, vorzugsweise metallische Thermoschutzscheibe liegt
am flexiblen Teil der Membran direkt anund verformt sich somit im Meßbetrieb mit
der Membran. Da gegenüber der Membranoberfläche eine freie radiale Bewegung ermöglicht
ist, läßt sich eine sehr gute lineare Charakteristik des Einflusses der Membran
auf die Messung sicherstellen. Dabei sind aber durch die Vermeidung eines Spalts
zwischen Thermoschutzscheibe und beweglichem Bereich der Membrane
auf
alle Fälle die durch die mögliche Verschmutzung des Spalts bzw. die Gaswechselbewegungen
sich ergebenden Nachteile vermieden.
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Die Thermoschutzscheibe kann auch an ihrer der Membrane zugewandten
Seite eine wärmeisolierende Schutzschicht aufweisen, was eine zusätzliche Sicherheit
gegen das Auftreten der Temperaturschockdrift bietet.
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Diese Schutzschicht kann z.B. fest mit dem/den anderen Teil(en) der
Thermoschutzscheibe verbunden, oder aber auch als lose eingelegte Scheibe ausgebildet
sein.
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weiteres könnte die Thermoschutzscheibe auch aus mehreren Schichten
bestehen, welche sich ggf. hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Temperaturdehnung,
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Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. Auf diese Weise kann die Kompensation
von auftretenden Temperaturstößen während der Messung mit dem Druckaufnehmer bereits
im Aufbau der Thermoschutzscheibe entsprechend verfeinert werden.
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Die Thermoschutzscheibe und/oder der von dieser nicht bedeckte äußere
Rand der Membrane können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an der dem zu vermessenden
Medium zugewandten Seite eine Beschichtung aus wärmedämmendem Material aufweisen,
wodurch ebenfalls die Temperaturschockdrift verringert wird.
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Weiters kann die Thermoschutzscheibe nach einer anderen Ausbildung
der Erfindung zur Verminderung der Biegesteifigkeit mit Ausnehmungen und/oder Eindrehungen
versehen sein, wodurch allfällige Beeinflussungen der Gebercharakteristik durch
die aufgesetzte Thermoschutzscheibe verhindert bzw. zumindest auf ein nicht störendes
Ausmaß verringert werden können.
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Schließlich kann nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung die Thermoschutzscheibe, in an sich z.B. aus der genannten AT-PS 258 610
bekannter Weise, in einer Eindrehung an der Membranstirnseite unter Bildung einer
im wesentlichen ebenen Außenfläche angeordnet sein, wodurch eine kleine Wärmeübergangsfläche
erreicht und eine unzulässige Beeinflussung
des zu vermessenden
Vorganges weitgelieid verhindert wird. Die freie radiale Beweglichkeit von der Befestigung
an der Membrane aus muß natürlich nach wie vor gegeben sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert,
wobei die Fig. 1 bis 4 jeweils einen teilweisen Schnitt durch eine andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers im Bereich der Membrane zeigen; Fig. 5 zeigt
im linken und rechten Teil zwei weitere, unterschiedliche Ausführungsformen nach
der Erfindung und Fig. 6 zeigt eine Ansicht auf die beiden Ausführungsformen nach
Fig. 5 entlang des Pfeiles VI.
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Die all-en Ausführungsbeispielen gemeinsamen Bauteile sind das Gehäuse
1, die am vorderen Ende 2 des Gehäuses 1 angeordnete Membrane 3, welche den Innenraum
4 des Gehäuses 1 gegen das zu vermessende Medium abdichtet, sowie das Meßelement
5, dessen spezielle Ausbildung und Anordnung nicht weiter interessant und daher
auch nicht dargestellt ist. Die Membrane 3 steht mit dem Meßelement 5 über ihren
Mittelteil 6 zur Übertragung des zu messenden Druckes bzw.
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der davon resultierenden Kraft in Verbindung und weist weiters an
der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite eine an der Membranoberfläche
anliegende und diese zumindest teilweise übergreifende Thermoschutzscheibe 7 auf,
welche im Bereich des Mittelteils 6 der Membrane 3 an dieser befestigt und von dort
aus in radialer Richtung frei beweglich ist.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist die Thermoschutzscheibe 7 mit
einer zentralen Bohrung 8 versehen, welche auf einem entsprechenden Ansatz des Mittelteiles
6 aufsitzt; die Befestigung erfolgt mittels einer Schweißnaht 9, welche den Mittelteil
6 der Membrane 3 mit der Thermoschutzscheibe 7 im Bereich der Boh-
rung8verbindet.Vander
Schweißnaht 9 ausgehend ist die Thermoschutzscheibe 7 in radialer Richtung gegenüber
der Oberfläche der Membrane 3 frei beweglich, wodurch beim Auftreten von kurzzeitigen
Temperatur stößen vom zu messenden Medium her lediglich Dehnungen in der Thermoschutzscheibe
7 auftreten können, die ohne Einfluß auf die Spannung der Membrane selbst sind.
Es kann also damit sichergestellt werden, daß die von der Membrane 3 bzw. deren
Mittelteil 6 auf das Meßelement 5 ausgeübten Kräfte tatsächlich nur druckproportional
sind und nicht von Temperaturstößen im zu vermessenden Medium verfälscht werden.
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Falls erforderlich kann der Innenraum 4 des Gehäuses 1 mit einem
geeigneten Kühlmedium durchspült werden, was die Verwendung des gesamten Druckaufnehmers
auch für Messungen an Medien mit hoher Temperatur gestattet.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist die Thermoschutzscheibe
7 an ihrer der Membrane 3 zugewandten Seite eine wärmeisolierende Schutzschicht
10 auf, die die Wärmeübertragung von der dem zu vermessenden Medium zugewandten
Seite der Thermoschutzscheibe 7 zur Membrane 3 zusätzlich verhindert und damit die
Kompensation der Temperaturschockdrift weiter verbessert. Außerdem ist hier zur
Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 gegenüber dem Mittelteil 6 der Membrane 3
ein vom Meßelement 5 bzw. der hier'nicht eigens dargestellten Aufnahmeeinrichtung
für das Meßelement ausgehender Zapfen 11 vorgesehen, der an seinem vorderen Ende
einen Linsenkopf 12 trägt, mit dem die Thermoschutzscheibe 7 gegen den Mittelteil
6 der Membrane 3 verspannt ist. Im übrigen gelten auch hier die bereits zum Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 gemachten Ausführungen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht die Thermoschutzscheibe
7 aus mehreren einzelnen Schichten 13, 14, welche sich beispeilsweise hinsichtlich
ihrer Temperaturbeständigkeit, ihrer Temperaturdehnung, ihrer
Wärmeleitfähigkeit
oder anderer geeigneter Eigenschaften unterscheiden können, wobei die einzelnen
Schichten entweder aneinander befestigt oder - abgesehen von der gemeinsamen Befestigung
am Mittelteil 6 der Membrane 3 - gegeneinander frei beweglich sein können.
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Die Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 am Kittelteil 6 der Membrane
3 erfolgt beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißung.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 weist die Thermoschutzscheibe
7 sowie der von dieser nicht bedeckte äußere Rand 15 der Membrane 3 an der dem zu
vermessenden Medium zugewandten Seite eine Beschichtung 16 aus wärmedämmendem Material
auf, was ebenfalls sehr günstig die Temperaturschockdrift verringert. Außerdem ist
hier die Thermoschutzscheibe 7 in einer Eindrehung 17 an der Membranstirnseite angeordnet,
wodurch im wesentlichen eine ebene Außenfläche des dem zu vermessenden Medium zugewandten
vorderen Endes des Druckaufnehmers erreicht ist, was im Meßbetrieb sehr günstig
ist. Die Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 erfolgt auch hier wiederum im Bereich
des Mittelteils 6 der Membrane durch Elektronenstrahlschweißung, wobei hier die
Schweißstellen 18 bis zu dem das Meßelement 5 aufnehmenden Bauteil durchgezogen
sind.
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Bei der in Figl 5 links dargestellten Ausführungsform ist die Thermoschutzscheibe
7 zur Verminderung ihrer Biegesteifigkeit mit Eindrehungen 19 versehen, welche konzentrisch
um die Achse 20 des Druckaufnehmers angeordnet sind. Bei der in Fig. 5 rechts dargestellten
Ausführung sind zum gleichen Zwecke Ausnehmungen 21 in der Thermoschutzscheibe 7
angeordnet, welche ebenfalls konzentrisch um die Achse 20 verlaufen. Bezüglich der
übrigen Merkmale dieser Ausführungen sei hier nur auf das bereits zu Fig. 4 Angemerkte
verwiesen.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß abgesehen von den dargestellten
und besprochenen Formen der Membran und der Thermoschutzscheibe im Rahmen der Erfindung
auch durchaus andere Ausführungen gewählt werden können,
soferne
es nur sichergestellt ist, daß die im Bereich des Mittelteils der Membrane befestigte
Thermoschutzscheibe - deren äußere Form und Abmessung den jeweiligen Gegebenheiten
angepaßt werden kann - von ihrer Befestigungsstelle aus in radialer Richtung frei
beweglich ist.
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