DE4332470C2 - Manometer zum Messen der Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Manometer zum Messen der Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Membranmanometer zum Messen von Druckdifferenzen sind aus der DE 33 40 834 C2 bekannt. Eine mit dem ersten Druck beaufschlagte erste Kammer und eine mit dem zweiten Druck beaufschlagte zweite Kammer sind durch eine Membran abgedichtet voneinander getrennt. Die Membran wird durch den Differenzdruck zwischen der ersten und der zweiten Kammer elastisch ausgelenkt, wobei die Auslen­ kung die Meßgröße für den Differenzdruck darstellt. Die Aus­ lenkung wird kapazitiv zwischen der Membran und an den Kammer­ wänden angebrachten Kondensatorplatten gemessen.

Betrachtet man die Druckquelle, das durch Leitungen zu dem Mano­ meter strömende Druckmedium und das Manometer in Analogie zu einem elektrischen Stromkreis, so entspricht das Membranmano­ meter, welches die beiden Kammern mit ihren Druckzuleitungen dicht voneinander trennt, einem Kondensator. Die Auslenkung der Meßmembran entspricht der Kondensatorspannung, während das Meß­ volumen des Membranmanometers der Kapazität des Kondensators entspricht. Bei einer plötzlichen Druckänderung (Spannungs­ sprung) stellt sich dementsprechend die Auslenkung der Membran exponentiell auf den neuen Druckwert ein. Die Zeitkonstante dieser Einstellung ergibt sich dabei als Produkt aus dem Strö­ mungswiderstand der Zuleitungen für das Druckmedium (ohmscher Widerstand) und dem Meßvolumen des Membranmanometers (Kapazi­ tät). Um die Empfindlichkeit eines Membranmanometers für die Messung kleiner Druckdifferenzen zu erhöhen, muß die Rückstell­ kraft der Membran verringert, d. h. der Membrandurchmesser ver­ größert werden. Dies bedeutet zwangläufig eine Vergrößerung des Volumens des Membranmanometers und damit eine Vergrößerung der Zeitkonstanten. Empfindliche Membranmanometer für die Messung kleiner Druckdifferenzen reagieren daher auf Druckänderungen nur sehr träge und können schnelle Druckänderungen nicht erfassen.

Aus der DE-AS 17 73 740 ist ein Manometer der eingangs genannten Gattung bekannt. Eine einseitig eingespannte Blattfeder trennt eine erste Kammer von einer zweiten Kammer, die mit unterschied­ lichen Drücken beaufschlagt sind. Die Blattfeder wird entspre­ chend der Druckdifferenz ausgelenkt, wobei die Auslenkung durch Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Bei der Auslenkung der Blatt­ feder gibt diese einen engen Durchtrittsspalt frei, durch wel­ chen eine geringe Menge des Druckmediums von der Kammer mit dem höheren Druck in die Kammern mit dem niedrigeren Druck strömt. Betrachtet man auch hier wieder die Analogie zu einem elek­ trischen Stromkreis, so entspricht das Manometer dem Ohmschen Innenwiderstand z. B. eines elektrischen Drehspul-Spannungs­ messers, der die der Druckdifferenz entsprechende Spannung mißt.

Um bei diesem bekannten Manometer die Empfindlichkeit für die Messung kleiner Druckdifferenzen zu erhöhen, muß der Strömungs­ widerstand des Manometers groß, d. h. der Querschnitt des Durch­ trittsspalts klein sein. Um bei geringen Druckdifferenzen noch eine meßbare Auslenkung der Blattfeder zu erhalten, muß deren Federkonstante um so kleiner sein, je empfindlicher das Mano­ meter sein soll. Bei einer kleinen Federkonstanten wird die Blattfeder jedoch bereits durch geringe Störkräfte ausgelenkt, so daß die Meßwerte verfälscht werden. Beispielsweise kann bei einem geneigten Einbau der Blattfeder bereits das Eigengewicht der Blattfeder zu einer Auslenkung und damit zu einer Verfäl­ schung der Druckmessung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Manometer zur Messung von Druckdifferenzen zur Verfügung zu stellen, welches sich auch für die empfindliche Messung kleiner Druckdifferenzen eignet und gegen Störeinflüsse unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Manometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Manometer wird die Auslenkung der Meßfeder kapazitiv gemessen. Hierzu wird parallel und beabstan­ det zu der Meßfeder eine Kondensatorplatte angeordnet. Der Ab­ stand zwischen der metallischen Meßfeder und der Kondensator­ platte ändert sich entsprechend der Auslenkung der Meßfeder, wodurch sich auch die Kapazität des aus Kondensatorplatte und Meßfeder gebildeten Kondensators ändert. Die Kapazität zwischen Meßfeder und Kondensatorplatte stellt somit ein Maß für die Auslenkung und damit ein Maß für die Druckdifferenz dar.

Um die Schwierigkeiten einer absoluten Kapazitätsmessung zu vermeiden, wird auf beiden Seiten der Meßfeder je eine Kondensa­ torplatte angeordnet. Die Auslenkung der Meßfeder bedeutet dabei stets eine Annäherung der Meßfeder an die eine Kondensatorplatte und eine korrespondierende Entfernung der Meßfeder von der ande­ ren Kondensatorplatte. Die Kapazität zwischen der Meßfeder und der einen Kondensatorplatte erhöht sich somit, während sich die Kapazität zwischen der Meßfeder und der anderen Kondensator­ platte korrespondierend verringert. Die Auslenkung der Meßfeder und damit die Druckdifferenz können daher durch eine Differenz­ messung der Kapazitäten realisiert werden, so daß Schwankungen der absoluten Werte weitgehend ohne Einfluß bleiben.

Für die Messung kleiner Druckdifferenzen ist eine weiche Meßfe­ der erforderlich. Eine solche weiche Meßfeder kann bereits merk­ lich durch die Schwerkraft ausgelenkt werden. Dies bedeutet, daß eine von der Position der Meßfeder bzw. des Manometers abhängige Nullpunktverschiebung auftritt. Um eine solche von der Einbaula­ ge des Manometers abhängige Nullpunktsverschiebung zu kompensie­ ren, sind die beiden Kondensatorplatten ebenfalls als Biegefe­ dern ausgebildet, die im einfachsten Falle insbesondere die gleichen Abmessungen und die gleichen Federeigenschaften wie die Meßfeder aufweisen. Da diese die Kondensatorplatten bildenden Referenzfedern die gleichen Federeigenschaften aufweisen wie die Meßfeder und parallel zu dieser angeordnet sind, wirkt auf diese Referenzfedern die Schwerkraft mit genau der gleichen von der Einbaulage des Manometers abhängigen Stärke wie auf die Meßfe­ der. Wirkt auf die Meßfeder kein Differenzdruck ein, so werden die Meßfeder und die Referenzfedern in jeder beliebigen Ein­ baulage des Manometers durch die Schwerkraft genau um denselben Betrag ausgelenkt, so daß der Nullpunkt der Druckdifferenzmes­ sung durch die Einbaulage nicht beeinflußt wird.

Die Analogie des erfindungsgemäßen Manometers mit einem parallel geschalteten elektrischen Spannungsmesser zeigt auch die Mög­ lichkeiten, den Meßbereich des erfindungsgemäßen Manometers zu verändern. Durch Erhöhung des Strömungswiderstandes des Druckme­ diums in den Zuleitungen, d. h. durch Verringerung des Strö­ mungsquerschnitts für das Druckmedium, kann (entsprechend einem ohmschen Vorwiderstand beim elektrischen Spannungsmeßgerät) die Empfindlichkeit vergrößern und der Meßbereich verkleinert wer­ den. Ebenso kann durch eine die Anschlüsse der beiden Kammern verbindende Nebenschluß-Leitung (entsprechend einem Shunt-Wider­ stand des Spannungsmeßgeräts) die Empfindlichkeit verringert und der Meßbereich vergrößert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch das Manometer in einer Frontansicht der Meßfeder und

Fig. 2 schematisch das Manometer in perspekti­ vischer Darstellung mit weggebrochener Seitenwand.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Grundprinzip des Manometers in einer einfachsten Ausführung.

Zwei deckungsgleiche rechteckige Rahmen 10 und 12 weisen jeweils einen deckungsgleichen rechteckigen Durchbruch auf. Die Rahmen 10 und 12 werden deckungsgleich zusammengesetzt, wobei an einer Schmalseite der Rahmen 10 und 12 eine Meßfeder 14 zwischen den Rahmen 10 und 12 eingespannt wird. Die Meßfeder 14 ist eine blattförmige elastische Biegefeder aus Metall. Die Meßfeder 14 hat die Form eines Rechtecks, wobei die Abmessungen der Meßfeder 14 so gewählt sind, daß sie im eingespannten Zustand den Durch­ bruch der Rahmen 10 und 12 nahezu vollständig verschließt und zwischen ihren nicht eingespannten Seitenkanten und den Rahmen 10, 12 nur ein schmaler Durchtrittsspalt 16 frei bleibt, wie in Fig. 1 zu sehen ist.

Die blattförmige Meßfeder 14 kann in ihrem unmittelbar an die Einspannung zwischen den Rahmen 10 und 12 angrenzenden Bereich eine Stabilisierungssicke aufweisen, die parallel zu der einge­ spannten Schmalkante verläuft. Eine solche Stabilisierungssicke ergibt eine höhere Torsionssteifigkeit der Meßfeder, ohne deren Biegsamkeit zu beeinträchtigen. Dadurch wird eine gleichmäßige parallele Auslenkung der freien Schmalkante gewährleistet. Au­ ßerdem verhindert eine solche Stabilisierungssicke ein Durch­ knicken der Meßfeder 14 in dem Übergangsbereich zwischen dem eingespannten und dem freien Teil der Meßfeder 14. Ein solches Durchknicken führt zu Unstetigkeiten in der Auslenkung und zu einem unerwünschten Hystereseverhalten.

An die Rahmen 10 und 12 schließen sich jeweils weitere Rahmen 22 bzw. 24 an, die geschlossene Stirnwände aufweisen, so daß die Rahmen 10, 12, 22 und 24 zusammen ein geschlossenes Gehäuse bilden. Zwischen die Rahmen 10 und 22 ist eine metallische Refe­ renzfeder 26 gespannt. Entsprechend ist zwischen die Rahmen 12 und 24 eine metallische Referenzfeder 28 gespannt. Die Referenz­ federn 26 und 28 stimmen mit der Meßfeder 14 in ihren Abmessun­ gen und in ihrem Werkstoff identisch überein. Außerdem sind die Referenzfedern 26 und 28 identisch und lageübereinstimmend mit der Meßfeder 14 eingespannt. Die Referenzfedern 26 und 28 sind somit flächendeckungsgleich, parallel und in gleichem Abstand beiderseits der Meßfeder 14 in dem Gehäuse eingespannt. Ebenso wie die Meßfeder 14 lassen die Referenzfedern 26 und 28 an ihren drei nicht eingespannten Seitenkanten einen Durchtrittsspalt 16 gegenüber den Rahmen 10, 22 bzw. 12, 24 frei.

In die zwischen der Meßfeder 14 und der Referenzfeder 26 ge­ bildete Kammer V1 mündet ein Anschluß 18 zur Beaufschlagung mit einem ersten Druck p1. In die zwischen der Meßfeder 14 und der Referenzfeder 28 gebildete Kammer V2 mündet ein Anschluß 20 zur Beaufschlagung mit dem zweiten Druck p2. Die zwischen der Refe­ renzfeder 26 und dem Rahmen 22 gebildete Kammer V3 steht über den Durchtrittsspalt 16 mit der Kammer V1 in Verbindung und wird somit ebenfalls von dem Druck p1 beaufschlagt. Die zwischen der Referenzfeder 28 und dem Rahmen 24 gebildete Kammer V4 steht über den Durchtrittsspalt 16 mit der Kammer V2 in Verbindung und wird ebenfalls mit dem Druck p2 beaufschlagt. Die Meßfeder 14 bildet mit der Referenzfeder 26 einen Kondensator der Kapazität C1, während die Meßfeder 14 mit der Referenzfeder 28 einen Kon­ densator der Kapazität C2 bildet. Der Druck p1 wirkt von beiden Seiten auf die Referenzfeder 26 und bewirkt keine Auslenkung dieser Referenzfeder 26. Ebenso wirkt der Druck p2 von beiden Seiten auf die Referenzfeder 28 und bewirkt keine Auslenkung dieser Referenzfeder 28. Die Meßfeder 14 wird dagegen von der einen Seite durch den Druck p1 und von der anderen Seite durch den Druck p2 beaufschlagt, so daß sie entsprechend der Druckdif­ ferenz p1-p2 ausgelenkt wird. Ist p1 größer als p2, so nähert sich die Meßfeder 14 der Referenzfeder 28 und die Kapazität C2 nimmt zu, während sich die Meßfeder 14 von der Referenzfeder 26 entfernt, so daß die Kapazität C1 abnimmt. Die Meßfeder 14 und die Referenzfedern 26 und 28 sind jeweils mittels Lötanschlüssen 30 aus dem Gehäuse herausgeführt. Die Kapazitäten C1 und C2 können an diesen Lötanschlüssen 30 abgegriffen werden. Eine Ver­ gleichsmessung der Kapazitäten C1 und C2 ergibt die Auslenkung der Meßfeder 14 gegenüber den Referenzfedern 26 und 28 und damit die Druckdifferenz p1-p2 als elektrische Meßgröße.

In der in Fig. 2 gezeigten Lage des Manometers wirkt die Schwerkraft auf die Meßfeder 14 und die Referenzfedern 26 und 28 in der Ebene dieser Federn. Die Schwerkraft führt somit nicht zu einer Auslenkung der weichen Federn 14, 26 und 28. Wird das Manometer in einer anderen Lage eingebaut oder in einer anderen Lage verwendet, so kann die Schwerkraft unter einem Winkel zur Ebene der Federn 14, 26, 28 angreifen und führt somit zu einer Auslenkung dieser Federn 14, 26 und 28 aus ihrer in Fig. 2 dargestellten Lage. Diese von den Drücken p1 und p2 unabhängige Auslenkung durch die Schwerkraft ist für die Meßfeder 14 und die Referenzfedern 26 und 28 identisch, da diese Federn identisch ausgebildet sind, identisch eingespannt sind und zueinander parallel liegen. Die Auslenkung durch die Schwerkraft beeinflußt daher die Messung der durch die Druckdifferenz p1-p2 bedingten Auslenkung der Meßfeder 14 nicht.

Um den Meßbereich des Manometers verändern zu können, kann der Durchtrittsquerschnitt des Anschlusses 18 bzw. des Anschlusses 20 für das Druckmedium im Querschnitt verändert werden. Dies ist in Fig. 2 schematisch durch ein den Querschnitt verkleinerndes Element 32 dargestellt. Eine Verringerung des Durchtrittsquer­ schnitts des Anschlusses 18 bzw. des Anschlusses 20 vergrößert den Strömungswiderstand des Manometers für das Druckmedium und erlaubt somit bei entsprechender Federkonstante der Meßfeder 14 eine Verkleinerung des Meßbereichs und eine empfindlichere Mes­ sung kleiner Druckdifferenzen.

Weiter sind die Anschlüsse 18 und 20 durch eine Nebenschluß Leitung 34 miteinander verbunden, deren Durchtrittsquerschnitt ebenfalls verstellbar sein kann, was durch ein querschnittsver­ engendes Element 36 schematisch dargestellt ist. Die Neben­ schluß-Leitung 34 verringert den gesamten Strömungswiderstand des Manometers, so daß bei gleichbleibender Empfindlichkeit der Messung mittels der Meßfeder 14 der Meßbereich erweitert werden kann. Die den Strömungsquerschnitt verändernden Elemente 32 und 36 können an sich bekannte Elemente, wie z. B. Drosselventile oder dgl. sein.

Claims (5)

1. Manometer zum Messen der Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck, mit einer durch den ersten Druck beauf­ schlagbaren ersten Kammer, mit einer durch den zweiten Druck beaufschlagbaren zweiten Kammer und mit einer die erste und die zweite Kammer voneinander trennenden als blattförmige, einseitig eingespannte Biegefeder ausgebildeten Meßfeder, die an ihren nicht eingespannten Seitenkanten einen die erste Kammer mit der zweiten Kammer verbindenden Durchtrittsspalt geringer Breite freigibt und deren Auslenkung die Meßgröße darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung der metallischen Meßfeder (14) über die Kapazität (C1, C2) zwischen der Meßfeder (14) und zwei jeweils als Biegefedern ausgebildeten Referenzfedern (26, 28) gemessen wird, wobei die Referenzfedern (26, 28) in ihren Abmessungen und Federeigenschaften mit der Meßfeder (14) iden­ tisch sind und parallel und lageübereinstimmend mit der Meßfeder (14) eingespannt sind und die eine Referenzfeder (26) in der ersten Kammer (V1) und die zweite Referenzfeder (28) in der zweiten Kammer (V2) angeordnet sind.

2. Manometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfeder (14) eine langgestreckte Form aufweist und an einer ihrer Schmalseiten eingespannt ist.

3. Manometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung der Meßfeder (14) über die Differenz der Kapazitäten (C1, C2) zwischen der Meßfeder (14) und den beiden Referenzfe­ dern (26, 28) gemessen wird.

4. Manometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (V1) und die zweite Kammer (V2) Anschlüsse (18 bzw. 20) für das Druckmedium aufweisen und daß der Strömungswiderstand für das Druckmedium in wenigstens einem dieser Anschlüsse (18, 20) veränderbar ist.

5. Manometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (V1) und die zweite Kammer (V2) Anschlüsse (18 bzw. 20) für das Druckmedium aufweisen und daß diese Anschlüsse (18, 20) durch eine Nebenschluß-Leitung (34) mit veränderbarem Strömungswiderstand für das Druckmedium miteinander verbunden sind.