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Druckmeßaufnehmer
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Die Erfindung betrifft Meßgrößenwandler mit einer durch eine erste
Meßgröße beaufschlagten Membran, deren dadurch erfolgte Zustandsänderung mittels
eines Übertragungsgliedes auf einen eine zweite Meßgröße abgebenden Meßwertgeber
leitbar ist.
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Derartige Meßgrößenwandler sind, insbesondere für die Wandlung der
ersten Meßgröße Druck in eine zweite elektrische Meßgröße, beispielsweise eine Widerstands-oder
Kapazitätsänderung, in weiten Bereichen der Technik im Einsatz.
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Bekannt ist zum Beispiel ein Meßgrößenwandler mit auf der Vorderseite
druckbeaufschlagter Membran, deren Durchbiegung die Eintauchtiefe eines Tauchkondensators
beeinflußt, dessen Kapazitätsänderung dann gemessen wird. Es ist bei einem derartigen
Tauchkondensator, der geringe Elektrodenabstände aufweist, eine äußerst präzise,
radial konstante Führung des axial beweglichen Teiles des Tauchkondensators erforderlich,
wodurch verhältnismäßig hohe Kosten entstehen.
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Es sind weiterhin Vorschläge bekannt geworden, wegen ihrer sehr gut
reproduzierbaren Eigenschaften Dünnfilmmeßelemente zu verwenden. Aus "fluid", Januar
1982, S.
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26-27 ist beispielsweise ein Dünnfilm-Druckaufnehmer bekannt, bei
dem eine erste druckbeaufschlagte Membran von einem Sensor abgetastet wird, welcher
ein an der Druckmembran angeschweißtes Ubertragungsglied und eine
weitere
Membran umfaßt, auf deren dem Übertragungsglied abgewandter Rückseite ein Meßbrückenmuster
in Dünnfilmtechnik angebracht ist.
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Bei dem bekannten Dünnfilm-Druckaufnehmer sind die Druckmembran mit
dem Gehäuse und das Übertragungsglied mit der Druckmembran verschweißt. Auch der
als parallel zur Druckmembran angeordnete Platte ausgeführte Sensor ist an drei
Punkten angeschweißt. Durch die Schweißverbindung der Membran entlang ihrem Umfang
können Gefügeveränderungen bei der Membran auftreten, welche deren Eigenschaften
verändern. Will man dieses vermeiden, sind aufwendigere Konstruktionen der Membran,
beispielsweise mit am Umfang verstärkt ausgeführten Randbereichen, erforderlich.
Diese verteuern jedoch die Herstellung nicht unerheblich. Bei Schweißung unvermeidbar
sind die auftretenden Veränderungen der Membran in ihrem Zentrum zur Aufnahme des
Übertragungsgliedes. Hierdurch können insbesondere die Linearitätseigenschaften
der Membran in unerwünschter und zum überwiegenden Teil nicht vorhersehbarer Weise
geändert werden.
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Nach dem Stand der Technik werden die Überlasteigenschaften im wesentlichen
durch die elastischen Eigenschaften der Druckmembran bestimmt. Typische Werte sind
nach dem Stand der Technik etwa eine 200%ige Überlastsicherheit, d.h. daß bei einer
Mehrbelastung um den Faktor 2 der Druckmeßaufnehmer noch nicht zerstört wird. Im
praktischen Einsatz hat sich gezeigt, daß durchaus höhere Druckschwankung auftreten
können, die es sicher abzufangen gilt. Dies ist nach dem Stand der Technik bisher
nicht möglich.
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Ein Druckaufnehmer mit einer Druckmembran, deren Auslenkung über eine
Schubstange auf eine mit Sensorelementen
versehene Biegefeder übertragen
wird, ist in der DE-PS 32 32 817 beschrieben. Zwischen der gewellten Druckmembran
und der Biegefeder ist eine plane Anschlagwand für die Druckmembran vorgesehen.
Der Abstand von Druckmembran und Anschlagwand ist so groß, daß die Druckmembran
nur in ihrem zentralen Mittenabschnitt zur Anlage an die Anschlagwand gelangen könnte.
Der Randbereich der Membran ist daher gefährdet.
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Die Membran, das Übertragungsglied und der Sensor mit den Dünnfilmmeßbrücken
bilden zusammengenommen ein mechanisches System, bei dem im Endeffekt die Dehnung
der Sensorfläche abgetastet wird. Trotzdem beeinflußt natürlich die Druckmembran
ebenfalls den Grad der Biegung der Sensorfläche. Es handelt sich hierbei in jedem
Falle um außerordentlich geringe Durchbiegungen, d.h. aber- auch kleine von der
Dünnfilmmeßbrücke abgeleitete elektrische Signale. Je größer derartige elektrische
Signale jedoch sind, desto einfacher ist ihre Registrierung und Weiterverarbeitung
aufgrund des von Anfang an besseren Abstandes des Nutzsignales von allen möglichen
auftretenden Störsignalen.
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Die Erfindung steht daher unter der Aufgabe, bekannte Druckmeßaufnehmer
derart weiterzuentwickeln, daß eine höhere Meßempfindlichkeit des gesamten Systems
erzielt wird unter zumindest Beibehaltung der Überlasteigenschaften bekannter Druckmeßaufnehmer.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine am Gehäuse angebrachte Aufnahmevorrichtung
zur Aufnahme der Druckmembran axial an deren Umfangsbereich und eine die Druckmembran
axial in Richtung der Aufnahmevorrichtung über ein Druckelement beaufschlagende
Andruckvorrichtung.
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Gemäß der Erfindung ist die Druckmembran nunmehr völlig frei von etwa
durch Schweißung hervorgerufenen Gefügeveränderungen an ihrem äußeren Umfang, wo
sie nach dem Stand der Technik mit dem Gehäuse verbunden ist. Weiterhin sind für
die Herstellung der Membran nahezu beliebige Materialien wählbar, da auf Schweißeigenschaften
oder ähnliches keine Rücksicht genommen zu werden braucht. Eine einzige Andrückvorrichtung
legt die Membran gemäß der Erfindung eindeutig in definierter Weise fest. Hieraus
ergibt sich sowohl ein einfacher Aufbau als auch eine kostengünstige Montage des
erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmers.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der äußere
Bereich des Federelementes als Kreisringscheibe ausgebildet. Eine derartige Form
ist besonders einfach und daher kostengünstig herstellbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
der Biegearm des Federelementes verjüngte Bereiche zur Aufnahme der Dünnfilmmeßelemente
auf.
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Hierdurch wird die ohnehin schon gegenüber dem Stand der Technik erhöhte
Durchbiegung des erfindungsgemäßen Biegearms an den verjüngten Bereichen noch weiter
gesteigert.
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Es ergibt sich daher in vorteilhafter Weise durch diese verjüngte
Bereiche eine weitere Signal erhöhung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Federelement einstückig aus Federwerkstoff hergestellt ist.
Dieses Material weist gute Langzeiteigenschaften auf und ist darüber hinaus einfach
durch Stanzen herstellbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
die Aufnahmevorrichtung am freien Ende des
Biegearms als Loch und
ist die Befestigungsvorrichtung am Kopfteil des Verbindungsgliedes als Gewindebolzen
mit Mutter ausgebildet. Bei der Montage wird hierbei das Loch im freien Ende des
Biegearms über den Gewindebolzen geschoben und dann die Mutter einfach festgezogen.
Dies ist gegenüber dem Stand der Technik eine stark vereinfachte und damit kostengünstige
Befestigungsweise, die ggf. auch in einfacher Weise bei Wartungsmaßnahmen den Austausch
des Federelementes erlaubt. Nach dem Stand der Technik müßten hierbei Schweißnähte
aufgetrennt werden.
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Ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
der Fußteil des Übertragungsgliedes mittels einer Klebbefestigung an der Druckmembran
befestigt, so sind Membran und Ubertragungsglied eindeutig gegeneinander festgelegt,
ohne daß die elastischen Eigenschaften der Membran und damit die Meßgenauigkeit
und Linearität beeinträchtigt werden, wie dies bei etwa einer Schweißverbindung
aufgrund von Gefügeveränderungen der Fall wäre.
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Eine besonders einfach aufgebaute vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung besteht in einem Stapelaufbau von ring- bzw. zylinderabschnittsförmigen
Bauteilen in einem zylindrischen Gehäuse. Hierbei ist im Gehäuse eine Nut vorgesehen,
in welche ein Sprengring einlegbar ist. An den Sprengring schließen sich in axialer
Richtung auf die die Membran aufnehmende Stirnfläche des Gehäuses zu ein Distanzring
und das Federelement an, auf welche ein mit einer zentralen Durchgangsöffnung für
das Verbindungsglied und mit einer radial äußeren Ausnehmung für die als Tellerfedern
ausgebildete Andrückvorrichtung versehener Distanzring anschließt, auf den das Druckelement
und die Membran folgen, welche sich wiederum gegen die Aufnahmevorrichtung im Gehäuse
abstützt. Bei dieser vorteilhaften
Bauform wird durch die Tellerfedern
ein gleichmäßiger definierter Anpreßdruck sowohl der Membran an die Aufnahmevorrichtung
als auch des Federelementes an seine Einspannvorrichtungen ausgeübt. Hierbei sorgt
der Distanzring sowohl für die Aufnahme der Tellerfedern als auch für eine Auflagefläche
für das Federelement.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen
die Membran und das Druckelement zueinander korrespondierende Gestalt ihrer jeweils
gegenüberliegenden Oberflächen auf. Dann kann das Druckelement eine Doppelfunktion
erfüllen, nämlich zunächst die sichere Festlegung der Membran an der Aufnahmevorrichtung
im Gehäuse, und darüber hinaus die Funktion einer Überlastsicherung, an welche sich
die gesamte Membran bei übergroßer Druckbeaufschlagung gleichmäßig anlegt. Durch
diese Hubbegrenzung kann ein gegenüber dem Stand der Technik erheblich vergrößerter
Überlastwert zugelassen werden, etwa das 15fache gegenüber dem 2fachen nach dem
Stand der Technik.
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Eine weitere Form der Hubbegrenzung der Membran kann alternativ oder
zusätzlich darin bestehen, daß das Druckelement in seiner zentralen Ausnehmung mit
einem Anschlag zur Hubbegrenzung des Fußteiles des Verbindungsgliedes versehen ist.
Auch hierdurch wird eine Anschlagfläche geschaffen, die wirksam den Weg der Membran
bei Überlast begrenzt. Werden beide Maßnahmen kombiniert, ergibt sich eine optimale
Hubbegrenzung sämtlicher Membranbereiche.
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Ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
die Membran als Wellenmembran und dementsprechend das Druckelement als korrespondierendes
Wellenbett ausgebildet, so wird eine weitere Vergrößerung der
Empfindlichkeit
gegenüber einer glatten Membran erreicht, ohne daß die Überlastsicherheit, die ja
gerade bei Membranen mit größerer Auslenkung wie Wellmembranen besonders wichtig
ist, hierdurch beeinträchtigt würde.
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Schließlich ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung die im Gehäuse angebrachte Aufnahmevorrichtung als Dichtschneide ausgebildet.
Eine Schneidendichtung im Gehäuse ist kostengünstig mit hoher Präzision herstellbar.
Je nach verwendetem Membranmaterial kann die Schneidenform und die Federhärte der
Tellerfeder optimal abgestimmt werden, um die erforderliche Druckdichtigkeit der
Dichtung zu erreichen. Es ist also eine einfache Anpassung an stark unterschiedliche
Druckbereiche möglich, ohne daß die grundsätzliche Konstruktion geändert werden
müßte. Hierdurch wird eine weitere Fertigungsverbilligung erreicht. Auch ist es
beispielsweise möglich, bausatzartig Einsätze für unterschiedliche Druckbereiche
im gleichen Gehäuse vorzusehen.
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Darüber hinaus ist bei einer Schneidendichtung ein Membranaustausch
auf verhältnismäßig einfache Weise zu bewerkstelligen, wogegen nach dem Stand der
Technik für einen solchen Austausch eine Schweißverbindung aufgetrennt werden müßte,
was nur mit erheblichen Mühen im Herstellerwerk möglich ist, wenn die neue Membran
noch dieselbe Präzision aufweisen soll. Gemäß der Erfindung ist ein Membranaustausch
am Einbauort unter Servicebedingungen möglich.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert, aus dem weitere Merkmale und
Vorteile der Erfindung deutlich werden.
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Es zeigen:
Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Federelementes gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung im
Schnitt eines Druckmeßaufnehmers gemäß der Erfindung.
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Das in Fig. 1 insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Federelement
ist im oberen Teil der Figur in einer Aufsicht und im unteren Teil der Figur in
einer Seitenansicht gezeigt. Das Federelement 10 weist einen äußeren kreisringförmigen
Bereich 12 auf, von dem sich radial nach innen ein Biegearm 14 erstreckt, der mit
einem zentralen Loch 22 versehen ist. An dem Biegearm 14 sind zwei reduzierte Bereiche
16,18 vorgesehen, bei denen im Vergleich zur sonstigen Breite des Biegearmes 14
Ausnehmungen ausgebildet sind. In diesen reduzierten Bereichen 16,18 werden die
Dünnfilmmeßelemente angebracht.
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Das dargestellte Federelement 10 ist mittels Ausstanzen aus einer
Kreisscheibe aus Federwerkstoff hergestellt, und zwar aus federhartem Material.
Selbstverständlich sind andere Herstellungstechniken denkbar und für den Fachmann
offensichtlich.
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Der in Fig. 2 dargestellte Druckmeßaufnehmer ist im wesentlichen rotationssymmetrisch
um die dargestellte Mittenachse aufgebaut, auf welche Achse sich auch die sonst
in den Unterlagen verwendete Bezeichnung "axial" bezieht. Der dargestellte Druckmeßaufnehmer
30 besteht aus einem Gehäuse 32, welches stirnseitig innen mit einer nach innen
gerichteten Dichtschneide 34 versehen ist. An diese Dichtschneide 34 legt sich eine
Wellmembran 36 an.
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Die Wellmembran 36 wird von einem als Überlastbett 38
ausgebildeten
Druckelement gegen die Dichtschneide 34 mittels Tellerfedern 40 gedrückt. Die der
Membran 36 zugewandte Seite des Überlastbettes 38 ist korrespondierend zur Wellenform
der Membran 36 mit entsprechenden Wellen versehen. Bei Druckbeaufschlagung der Wellmembran
36 über den vorgegebenen Nennwert hinaus legt sich schließlich die Wellmembran 36
an das entsprechend ausgebildete tjberlastbett 38 an. Hierdurch wird bei in sehr
hohem Maße die Nennbelastbarkeit der Membran übersteigenden Druckstößen eine Zerstörung
der Membran verhindert.
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Zentral auf der nicht druckbeaufschlagten Seite der Membran 36 ist
im Membranmittelpunkt als Verbindungsglied eine Verbindungsachse 48 mittels Klebverbindung
zwischen dem Fußteil 52 der Verbindungsachse 48 und der Membran 36 befestigt. Eine
derartige Klebverbindung läßt im Unterschied zu beispielsweise einer Schweißverbindung
das Gefüge der Wellmembran 36 unverändert und somit auch deren elastische Eigenschaften.
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Die Tellerfedern 40 sind in einer Ausnehmung eines Distanzstückes
42 angebracht und stützen sich axial einmal gegen das Überlastbett 38, andererseits
axial gegen den Stützring 42 ab. Dieser wiederum liegt an seinem dem Überl ast bett
38 axial abgewandten Ende außen mit einer vorkragenden Fläche am Federelement 10
an. Die hierfür am Stützring 42 ausgebildete vorkragende Fläche hat eine Breite,
welche etwa der Breite des äußeren Bereiches 12 des Federelementes 10 entspricht.
Hierdurch wird eine definierte Auflage für das Federelement 10 geschaffen, welches
somit an seinem Außenumfang gleichmäßig über den von der Tellerfeder 40 ausgeübten
Druck beaufschlagt und damit festgelegt ist.
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An das Federelement 10 schließt sich ein Distanzring 44 an, welcher
gegen einen in einer Nut der Gehäusewand eingebrachten Sprengring 46 anliegt. Bei
der Montage können somit von der Membran 36 angefangen sämtliche Teile nacheinander
eingelegt werden. Durch Zusammendirücken der Tellerfedern 40 über ihre Betriebslage
hinaus wird die gesamte Vorrichtung axial soweit verkürzt, daß nunmehr der Sprengring
46 in die Nut eingelegt werden kann. Nach Entspannen drücken die Federn 40 den Stapel
in definierter Weise, und zwar mit der Dichtschneide 34 auf der einen und dem Sprengring
46 auf der anderen Seite als begrenzenden Bauteilen.
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An dem Fußteil 52 abgewandten Ende der Verbindungsachse 48 ist eine
Befestigungsvorrichtung aus einem zur Aufnahme in das Loch 22 des Biegearmes 14
angepaßten Abschnitt mit darüberliegendem Gewindeabschnitt vorgesehen. Durch Anziehen
einer Mutter 50 auf dem Gewindeabschnitt wird der freie Abschnitt 20 des Biegearmes
14 sicher an der Verbindungsachse 48 lösbar festgelegt.
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Wird nun die Wellenmembran 36 druckbeaufschlagt, so bewegt sie sich
in Richtung auf das Überlastbett 38.
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Diese Bewegung wird über die Verbindungsachse 48 auf den Biegearm
14 des Federelementes übertragen. Da der äußere Bereich 12 des Federelementes 10
festgelegt ist, kann sich nur der Biegearm 14 bewegen. Der Biegearm 14 wird daher
in gewisser Weise s-förmig gebogen, wobei die stärksten Krümmungen in den reduzierten
Bereichen 16,18 auftreten, in denen sich auch die Dünnfilmmeßelemente befinden.
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Der in Fig. 2 dargestellte Fußabschnitt 52 der Verbindungsachse 48
weist einen größeren Umfang auf als diese.
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Die Kante, an der sich der Fußabschnitt 52 wieder auf den
Durchmesser
der Verbindungsachse 48 verjüngt, kann in vorteilhafter Weise als weitere Anschlagfläche
verwendet werden, die mit einer entsprechend ausgebildeten zeichnerisch dargestellten
Ausnehmung in dem zentralen Durchgangsloch für die Verbindungsachse 48 in dem Überlastbett
38 zusammenwirkt. Bei geeigneter Anpassung liegt im tiberlastfall die Wellmembran
36 an der Oberfläche des Überlastbettes 38 an und gleichzeitig liegt der Fußabschnitt
52 an der Aussparung des Überlastbettes 38 an.
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Auf diese Weise ist praktisch über die gesamte Membranfläche, also
auch in deren Zentrum, mittels definierter Anschläge eine Hubbegrenzung im iiberlastfall
und daher eine sehr hohe Überlastsicherheit gegeben.