DE8225208U1 - Druckmessvorrichtung - Google Patents

Description

Drucktneßvor richtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmeßvorrichtung mit einem Druckwandler und insbesondere auf Druckwandler, bei denen gemäß einem angelegten Druckdifferential» welches einer Membran angelegt wird, der Ausschlag der Membran von einem elektromechanischen] Wandler abgefühlt wird, der seinerseits ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zum Druck ist, der auf der Membran lastet, wobei dieses Signal dann einem Anzeigegerät einer Prozeßbehandlungsstufe oder einem Computer zugeführt werden kann«

Bisher besteht die Membran bei derartigen Drucküberwachungswandlern aus einer dünnen Metallplatte, auf der direkt der Spannungsfühler aufgebracht wird, der elektrisch so geschaltet ist, daß er direkt auf der Membran sitzend einen Wandler bildet. Bei gewissen Modellen wird eine einzige Membran benutzt, während bei anderen Modellen zwei Membranen benutzt werden, die miteinander verbunden sind, um eine gemeinsame Ablenkwirkung zu erzeugen, wobei nur eine der Membranen den mechanischen Spannungsfühler trägt. Der zu Oberwachende Druck wird einem Silikonöl oder dergleichen aufgeprägt, das seinerseits den Aufschlag der Membran oder der Membranen bewirkt, die durch die Wirkungsweise des die mechanische Spannung abfühlenden Sensors betätigt werden üblicherweise sind Instrumente dieser Bauart für Niederdruckanwendungen unter etwa 15 m bar nicht anwendbar» obgleich sie in Druckbereichen bis zu 20,7 bar arbeiten können.

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Um derartige Instrumente empfindlicher zu machen hat man üblicherweise die Arbeitsfläche der Membran vergrößert, wodurch der Gesamtdurchmesser der Membran vergrößert wurde, was dazu führte, daß die Membran gegenüber Überdrücken empfindlicher wurde, die häufig bei derartigen Vorrichtungen zu erwarten sind. Kompliziertere Modelle hatten dabei Vorrichtungen eingebaut, die die Membran gegen solche übermäßigen Drücke schützen sollten.

Herkömmliche Meßgeräte dieser Bauart wurden baulich sehr groß, hatten einen komplizierten Aufbau und erforderten Fachkräfte zum Einbau und zur Bedienung, und die Kosten beHefen sich pro Meßgerät auf etwa 600 Dollar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes relativ billiges Druckmeßgerät zu schaffen, welches einen Wandler aufweist, dessen Sensormembran aus herkömmlichen billigen elastomerem Material hergestellt werden kann, das über einen Druckraum ausgespannt werden kann, um auf beiden Seiten eine Hochdruckkammer bzw. eine Niederdruckkammer zu schaffen, die dem Strömungsmittel direkt aussetzbar sind, deren Drücke zu messen bzw. zu überwachen sind, wobei der Wandler selbst eine mechanische Spannung mißt und auf einer getrennten Blattfeder aufgebracht werden kann, die von der elastomeren. Membran getrennt, jedoch mit dieser so verbunden ist, daß der Ausschlag der Druckunterschiede auf die Blattfeder über* tragen wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung bestellt darin, «inen

Wandler für ein Druckmeßgerät zu schaffen, bei dem der durch Druck veranlaßte Ausschlag den Spannungsfühler veranlaßt, ein Signal gemäß dem Ausschlag der Membran zu erzeugen, die mit einer getrennten auslegerartig montierten Blattfeder verbunden ist, die eine aktive Länge besitzt, die bei Auslenkung der Membran verschwenkt wird und auf der der Spannungsfühler aufgebracht ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Wandlers, bei dem eine elastomere Membran durch ein Strömungsmittel ausgelenkt wird, dessen Druck zu messen oder zu überwachen ist, wobei die Auslenkung direkt auf die wirksame Länge einer Blattfeder übertragen wird, die über der Membran liegt, wobei die wirksame Länge der Blattfeder einen Spannungsfühler trägt, dessen Glieder in einer Wheatstone'sehen Brücke liegen und auf der wirksamen Länge der Blattfeder aufgebracht sind, so daß die Niederdruckempfindlichkeit erhöht wird, indem ein Spannungsmeßfühler auf der Blattfeder angeordnet wird, der getrennt von der Membran ist, jedoch von dieser betätigt wird. Hierdurch soll demgemäß ein anderer neuer Weg eingeschlagen werden und der Weg verlasse;; werden, auf welchem versucht wurde die Empfindlichkeit herkömmlicher metallischer Membranen dadurch zu erhöhen, daß sie eine größere Arbeitsfläche erhielten.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung besteht darin, einen Wandler zu schaffen, der wenige und einfache Mechanische Teile besitzt, wobei als mechanisches Hauptbauteil das Gehäuse benutzt wird, welches den Druckraum definiert und wobei eine elastomere Membran über dem

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Druckraum aufgespannt ist, um in diesem die Hochdruck«-, f kammer von der Niederdruckkammer zu*trennen, wobei ' | eine Blattfeder Anwendung findet, wie sie in der "~ f US-PS 38 62 416 beschrieben ist. Auf dieser Bereichsfeder ist ein Sensor zur Messung der Auslenkung auf- ) gebracht, und zwar in spezieller Kombination mit der Blattfeder, um eine selbsttätig wirkende Temperaturkompensation zu bewirken, wobei geringe Erregungsspannungen ausreichen, so daß die Sensorelemente nur ^; minimal erhitzt werden und hieraus resultierende Fehler gering gehalten werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Wandler zu schaffen, bei dem die Erregerspannung von einer Elektronikschaltung geliefert wird, die auf einer Schaltungsplatine angeordnet ist und insgesamt im Gerätegehäuse untergebracht ist, wobei die Schaltung ihrerseits über eine Spannungsquelle erregt wird, um eine konstante Spannung zu liefern, wenn die Membran und die Blattfeder ausgelenkt werden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Ausgang im Milliampere-Bereich bzw. im Millivolt-Bereich bei etwa 4 bis 20 mA oder zwischen 1 und 5 Millivolt liegt, wobei diese Ausgangsgrößen einem Meßgerät,einer Verfahrenssteuervorrichtung oder einem Computer zugeführt werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Druckwandler zu schaffen, der insbesondere für niedrige Drücke zwischen 0 und 0,62 κι bar bis etwa 0,69 bis 1,03 bar Anwendbar ist und aus wenigen und einfachen mechanischen Teilen zusammengesetzt ist, die billig herzustellen und zusammenzubauen sind« wobei das Gerat leicht einbau-

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bar ist und eine lange Lebensdauer mit hoher Genauigkeit besitzt.

Gemäß der Erfindung umfaßt der Druckwandler ein Gehäuse, welches einen inneren Druckraum definiert und eine Bodenwand besitzt, welche eine Ausnehmung hat, um Ober dieser eine flexible elastomere Membran anordnen zu können, die die Hochdruckkammer von der Niederdruckkammer innerhalb des Meßgerätes trennt, wobei die Niederdruckkammer der Bodenwand des Gehäuses zugewandt ist und wobei das Gehäuse einen Deckel aufweist, der das offene Ende abschließt und die Hochdruckkammer begrenzt. Eine Bereichsfeder in Form einer Blattfeder,ähnlich wie in der US-PS 38 62 416 beschrieben, ist auslegerartig im Gehäuse innerhalb der Hochdruckkammer gelagert und auf einer Seite der Membran angeordnet, um die wirksame Länge der Blattfeder, die über der Membran liegt, auszulenken wenn gemäß Druckänderungen in der Hochdruckkammer bzw. Niederdruckkammer di~e Membran ausgelenkt wird. Die wirksame Länge der Feder wird dadurch definiert, daß die Blattfeder im Gehäuse benachbart zum Umfang der Membran eingespannt wird. Die Blattfeder trägt auf ihrer wirksamen Länge einen Spannungsfühler, der gemäß des dargestellten Ausfuhrungsbeispiels von vier Widerständen aus quadratisch angeordneten Folienleiterbahnen besteht, die temperaturkompensiert und in einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung angeordnet sind und einen elektromechanischen Wandler bilden, der durch eine Elektronikschaltung gespeist wird, die innerhalb des Meßgerätes in gedruckter Schaltung über der Blattfeder angeordnet ist. Diese Elektronikschaltung liefert dem Spannungsfühler eine konstante elektrische Spannung.

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Eine Auslenkung der Blattfeder unter der Wirkung - -des Ungleichgewichts, welches auf der Membran lastet,"'" bewirkt eine entsprechende Änderung des Spannungsfühler-Ausgangssignals, das verstärkt und durch die Elektronikschaltung auf einen Ausgangswert im Bereich zwischen 4 bis 20 mA oder 1 bis 5 mV umgeformt wird, wobei dieser Ausgang einem Anzeigegerät, einem Aufzeichnungsgerät oder einem Mikroprozessor zugeführt werden kann. Die Schaltung besitzt zwei Einstellmöglichkeiten, um den Bereich des Wandlers einzustellen bzw. den Wandler auf 0 abzugleichen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäß

ausgebildeten Instrumentes betrachtet von der linken Seite gemäß Fig. 2 von oben her;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht des Instrumentengehäuses bei abgenommenem Deckel gemäß Fig. 2 von oben her betrachtet;

Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie 4-4 gemäß Fig. 6;

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 gemäß Fig.1;

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Fig. 6 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht,

wobei jedoch außer dem Deckel Jioch die

Printplatte herausgenommen und seitlich

vom Gehäuse abgelegt ist und wobei die

elektrischen Verbindungen zwischen den Blattfedern des Druckmessers und den Gehäuseanschlüssen schematisch dargestellt ist, und wobei schließlich strichliert die Verbindungen nach der jeweiligen ^och- und Nied-erdruckkammer angedeutet sind;

Fig. 7 in größerem Maßstab eine Teilansicht der Blattfederanordnung, die gegen den Druckmesser abgestützt ist und die Verbindungen, wobei die Gesamtanordnung des Druckmessers erkennbar ist;

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 gemäß Fig. 6 in größerem Maßstab;

Fig. 9 ein Schaltbild des Druckmessers und der zugeordneten Elektronikkomponenten und Verbindungen;

In den Figuren 1 und 2 ist das Druckmeßgerät 10 dargestellt, welches ein Gehäuse 11 aufweist, das einen Gehäuseteil 12 besitzt, der aus geeignetem Metallblech, beispielsweise Aluminiumblech oder aus einer Aluminiumlegierung oder geeignetem Plastikmaterial bestehen kann, und ein offenes Ende 14 aufweist, das durch einen Deckel geschlossen ist, wodurch ein Druckraum 17 geschaffen

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wird. Der Deckel 16 besteht vorzugsweise aus einem - ■ opaken starren hochfestem Pl-astikmaterial, beispielsweise Polyäthylen oder einem Polycarbonat, der durch eine Ringkappe bzw. einen Spannring 1Θ gehalten wird, der aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 12 besteht und auf dem Gehäuseteil 12 wie bei 20 (Fig. 2) angedeutet, aufgeschraubt ist.

Der Gehäuseteil 12 weist eine Rückwand 22 auf« die einen tellerförmigen Abschnitt 24 definiert, der eine stationäre Wand für die Niederdruckkammer 26 bildet, die im Raum 17 durch eine flexible Membran 28 definiert wird, die vorzugsweise aus Silikongummi oder ähnlichem Material besteht und am Rand 29 eingespannt ist, um eine Hochdruckkammer 30 auf der anderen Seite der Membran zu definieren. Die Membran 28 ist zwischen Verstärkungsplatten 31 und 32 im Mittelabschnitt an einem Verbindungslenker befestigt, der eine Stange 36 aufweist, deren Enden 38 und 40 mit Gewinde versehen sind, auf das Muttern 42 auf beiden Seiten der Platten 31 und 32 auf dem Ende 40 aufgeschraubt sind, um die Membran leckfrei dazwischen einzuspannen. Der Ansatz dient als Anschlag für den Lenker 34.

Der Membran 28 ist eine Bereichsfeder 45 in Form einer blattfeder 46 zugeordnet, die an ihrem Ende 48 durch Schrauben 50 auslegerartig befestigt 1st. Die Schrauben SO sind in der GehSuserückwand 22 in der Meise angeordnet* daß das Ende 48 der Blattfeder 46 gegen einen im Gehäuse gelagerten Schlitten 52 anliegt, der eine U-förmige Klemme 54 lagert, um die wirksame Länge 55 der Feder einstellen zu können, wie dies in der US-PS 33 97 319

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beschrieben ist.

Die Muttern 4Λ sind auf das Ende 38 der Stange 36 aufgeschraubt und liegen auf beiden Seiten der Blattfeder 46,durch die die Stange 36 hindurchtritt, wodurch das Stangenelement 38 und demgemäß die Membran 28 mit der Blattfeder verbunden werden, um eine spielfreie BewegungsUbertragungsverbindung zwischen der wirksamen Länge 55 der Blattfeder und der Membran zu erhalten, die demgemäß die wirksame Länge 55 der Blattfeder um den Drehpunkt 60 schwenkt, der durch die Wirkung der Klemme 54 auf die Blattfeder 46 gebildet ist.

Die allgemeine Anordnung von Gehäuseteil 12 und Lagerung der Membran 28 entspricht dem Aufbau nach der US-PS 33 97 319. Die Membran 28 ist an ihrem Rand 29 mit einer umlaufenden Wulst 62 versehen, die in eine Nut 64 des Gehäuseteils 12 um den tellerartigen Abschnitt 24 herum einpaßt und durch die tellerförmige Platte 66 an Ort und Stelle gehalten wird, die gegen den Rand 29 der Membran und ihre Wulst 62 durch einen geeigneten Spannring 68 verspannt ist, der in der kreisförmigen Ausnehmung 70 des Gehäuseteils 12 eingeschraubt ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist auf der Blattfeder 46, und zwar auf ihrer wirksamen Länge 55 auf der oberer) Seite 80, d.h. auf der der Unterseite 82 gegenüberliegenden Seite, ein Druckmeßfühler 84 in Form einer Wheatstone'sehen Brücke angeordnet, die vier quadratisch gestaltete geätzte Widerstandselemente 86, 88, 90 und 92 aufweist, die in Brückenschaltung zusammen-

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gefaßt sind und einen elektromechanischen Wandler 94 bilden, der durch eine Elektronikschaltung 96 gespeist wird, die unter dem Druckmeßgerät 10 und '"~ insbesondere unter dessen Hochdruckkammer 30 auf einer zugeordneten Printplatte 98 angeordnet ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Printplatte 98 Ober dem gehäuseteil 12 liegt und einen Abstand von

der Blattfeder 46 aufweist, so daß die Ausschläge der wirksamen Länge 55 der Blattfeder nicht gestört werden, wenn diese durch die Ausschläge der Membran 28 bewegt

Die Elektronikschaltung 96 und ihre Schaltungselemente und Verbindungen sind schematisch in den Figuren 6 und 9 dargestellt, wobei die Verbindungen mit dem Gehäusesteckanschluß 100 (Fig. 4 und 6) in Verbindung stehen, der in geeigneter Weise leckstromfrei im Gehäuse 12 in einer Ausnehmung 102 (Fig. 4) vorgesehen ist.

Die Elektronikschaltung 96 speist den Meßfühler 84 mit konstantem Gleichstrom, so daß ein Wandler 94 gebildet wird, wobei die elektronische Schaltung 96 Ober den Steckanschluß 100 mit einer geeigneten geregelten Spannungs quelle verbindbar ist.

Das Gehäuse 12 definiert die üblichen Gewindelöcher und die zugeordneten Bohrungen 104 bzw. 166* die die Gehäuseverbindungen für die Hochdruckkammer 26 und die Niederdruckkammer 30 und die Anschlösse an die Hochdruckquelle bzw. die Niederdruckquelle bewirken. Unter der Annahme, daß die jeweiligen Verbindungen nach der Hochdruckquelle und der Niederdruckquelle hergestellt sind, und unter

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der Annahme, daß die elektronische Schaltung 96 mit - ■· der geregelten Spannungsquelle verbunden ist und * ' der Arbeitsbereich des Wandlers eingestellt und der

; Nullabgleich vorgenommen worden ist» dann führt .

eine Änderung der Drück* entweder in der Kammer 26 oder in der Kammer 30 zu einem entsprechenden Aus

schlag der Membran, und durch den Lenker 34 wird

! ein entsprechender Ausschlag der wirksamen Länge 55

der Blattfeder 46 bewirkt. Dadurch ergibt sich eine Änderung des Widerstandes, wodurch ein Ungleichgewicht erzeugt und ein Signal geliefert wird, welches einen Anteil der Differenz in der Druckänderung darstellt. Dieses Signal wird verstärkt und durch die Elektronikschaltung in einen Ausgang zwischen 4 und etwa 20 mA umgeformt, oder auf etwa 1 bis 5 mV. Dieser Ausgang kann in geeigneter Weise elektrisch über Steckverbindungen 100 nach einem herkömmlichen Meßinstrument, einem Schreiber oder einer Signalverarbeitungsanlage, beispielsweise einem Computer zugeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckmesser wird die Membran direkt durch Änderungen der Drücke ausgelenkt, die auf einer der beiden Seiten auftreten. Die Membran ist ein elastomerer Teil, dessen verstärkter Abschnitt keiner Auslenkbeanspruchung ausgesetzt wird, und der Druckmesser fühlt tatsächlich die Druckänderungen, die durch -; die Stahlblattfeder 46 aufgebracht werden, die direkt

mit der Membran Über den Lenker 34 beweglich ist. Diffi« gemäß muß bei der Bemessung der Membran 28 nicht der jeweilige Druckmesser berücksichtigt werden, um sehr kleine Drücke verarbeiten zu können. Stattdessen kann die Bemessung der Membran bezüglich Dicke und Durch-

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messer so gewählt werden, daß allgemeine Zwecke erfüllt werden und wirksam Überdruckbeschädigungen ausgeschaltet werden.

Weiterhin ist der Aufbau des Druckmessers so beschaffen» daß die Fühler und die Blattfeder einen selbsttätigen Temperaturausgleich gewährleisten.

Die Blattfeder 46 besteht aus geeigneten getemperten Federstahlmaterial, beispielsweise Sandvik C-1095, einem gehärteten und weiß getemperten Federstahl, oder stattdessen einem blau-getemperten Federstahl gleicher Beschaffenheit. Die Blattfeder 46 wird in der Praxis in ihrer Betriebsstellung dadurch gehalten, daß die Gleitstange 52 an der Oberseite einer Rippe 110 des Gehäuseteils befestigt ist, in dem geeignete Schrauben 112 benutzt werden, wobei das Blattfederende 48 zwischen den oberen und unteren Klemmplatten 114 und 116 aufgenommen und durch Schrauben 50 festgeklemmt wird, die durch die Lagerplatten 114 und 116 hindurchstehen und außerdem sind Blattfeder 46 und Gleitstange 52 an dem Gehäuseteil 12 über Schraubgewindebohrungen 118 festgeschraubt. An der Klemme wird die Blattfeder 46 zwischen den oberen und unteren Klemmplatten 120 und 122 eingespannt, wobei die untere Klemmplatte 122 auf der Oberseite der Gleitstange 52 liegt und eine Schraube 124 ist in die Klemme 54 eingeschraubt und lagert gegen die obere Platte 120, um die Blattfeder gegen die Gleitstange 52 zu klemmen und die wirksame Länge 55 der Blattfeder und den Schwenkpunkt 60 zu definieren.

Die Druckmeßelemente 86, 88, 90 und 92 bestehen gemäß

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dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus .quadratisch angeordneten Folienbahnen, die vorzugsweise aus einer Leiterplatte ausgeätzt sind, die eine Konstantan-Folie mit einer Stärke von 0,08 mm aufweist. Konstanten ist eine Kupfer-Nickellegierung mit einem geringen und einstellbaren Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Folienelemente sind in der Praxis in geeigneter Weise auf einem Träger aus Kusntharzmaterial, beispielsweise auf einer Epoxyd-Phenol-Kunstharzplatte angeordnet, die ihrerseits auf der Blattfederoberfläche 80 mit einem Kleber befestigt ist, beispielsweise mit einem Kleber, der unter der bezeichnung BR-610 erhältlich ist und aus zwei Komponenten von Epoxyd-Harz besteht und von der Firma William T.Bean Incorporation aus Detroit, Michigan hergestellt wird.

Die Detektorelemente 86, 88, 90 und 92 haben ein relativ großes Verhältnis von Oberfläche zu Querschnittsfläche, beispielsweise ein Verhältnis von 190 : 1, wodurch eine größere Stabilität über ausgedehnte Belastungszeiträume erreicht wird. Außerdem wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, daß der Druckmesser 84 besser Temperaturänderungen der Blattfederoberfläche folgen kann, die unter dem Druckmesser 84 liegt, wodurch außerdem wirksam die selbst induzierte Hitze verteilt werden kann. Der Druckumrechnungsfaktor der Druckdetektoren, d.h. das Verhältnis von der Änderung des Widerstandes pro Einheit des Widerstandswertes der entsprechenden Elemente (0hm pro Ohm) zur Spannung, die auf den Fühler übertragen wird, (Zoll pro Zoll) liegt vorzugsweise über 2,1 bei der angegebenen Anwendung.

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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die "^: Elemente 86, 88, 90 und 92 mit ihren Gittern relativ zueinander in der Weise ausgerichtet sind, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Dabei verlaufen die Leiterbahnen der Elemente 88 und 92 quer zu der Blattfeder, so daß diese Elemente relativ zu der Blattfeder nur zum Zwecke der Kompensation angeordnet sind, während die Leiterbahnen der Elemente 86 und 90 in Längsrichtuung der Blattfeder 46 verlaufen und demgemäß so orientiert sind, daß sie einen Ausschlag des wirksamen Teils der Blattfeder feststellen können, auf der sie festgelegt sind. Die Auslenkung der Blattfeder ändert die Länge und demgemäß auch die Querschnittsfläche der Leiterbahnen der Elemente. 86 und 90, und dies bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes dieser Leiterbahnen, wodurch der Wandler 94 wirksam wird und anzeigen kann, daß eine Druckänderung stattgefunden hat.

Die Geometrie der Sensorelemente und ihre Kontakte und Anschlüsse sind gemäß herkömmlicher Praxis ausgebildet, wie dies bei Wheatstone'sehen Brücken üblich ist, um einen möglichst kompakten Aufbau zu gewährleisten. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt jedes Element 86, 88, 90 und 92 einen Widerstand von etwa 350 0hm, und die Elemente sind zum Zwecke der Temperaturkompensation geschaltet.

Die Elemente 86, 88, 90 und 92 mit ihrem Träger und mit Anschlußkontakten 130, 132, 134, 136 und 138 in Brückenschaltung und temperaturkompensiert sind von verschiedenen

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f| Herstellern verfügbar, beispielsweise von Electrix - --

§ Industries Inc., Lombard, Illinois (Widerstand "*""

I QT-06-350), Micromeasurement Inc., Raleigh, North I Carolina (Modell Nr. MA-09-120NC-350) und BLH I Electronics Co., Waltham, Massachusetts. Der MeB- I fühler 84 ist in seiner Brückenschaltung auf der I Blattfeder 46 in einem Zustand aufgebracht, in dem

^J die Blattfeder völlig eben ist und die Wheatstone'sehe

.: Brücke ist ausgeglichen. Die Wheatstone'sehe Brücke ist

;. in Fig. 9 mit dom Bezugszeichen 95 bezeichnet und auf

- der Blattfeder 43 mit geeigneten Anschlußklemmen 131,

' 133, 135 und 137 ausgebildet, die aus einer Kupfer-

: folie ausgeätzt und auf dem Träger in gleicher Weise

;.■ wie der Sensor 34 angeordnet sind, die wiederum auf

; der Blattfeder 80 in der gleichen Weise befestigt

I sind wie die Sensorelemente des Sensors 84. Es ist

: wichtig, daß der Meßfühler 84 auf der Blattfeder so

angeordnet ist, daß er dicht benachbart zum Schwenkpunkt 60 liegt, und zwar auf der der wirksamen Länge zugeordneten Seite des Schwenkpunktes, wie dies aus Fig. 2, 6 und 7 ersichtlich ist, um eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen, denn dies ist die Stelle der größten Ausbiegung der Blattfeder beim Auslenken Ii der Membran 28 durch den Lenker 34.

Die Elemente 88 und 92 der Brücke 95 bilden den Kompensationsteil des Wandlers 94 und soweit es den Temperatur· einfluß auf den Meßfühler 54 betrifft, ist dieser gleich dem doppelten Meßauslenksignal-Er?eugungsteils des Wandlers 94. Die Brückenverbindungen der Elemente 86, 88, 90 und 92 orientieren diese Komponenten so, daß

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Irgendeine Änderung im Widerstand der Signalerzeugung** elemente 66 und 90, die durch Temperatureinfluß verursacht wird» durch eine identische Temperaturkompensationsänderung im Widerstand der Elemente 88 und 92 ausgeglichen wird.

Die elektronische Schaltung 96 ist schematisch in Fig. 9 in Verbindung mit der Meßfühler-Brücke 95 dargestellt, wobei der Hauptteil der Verdrehtungsverbindungen schematisch in Fig. 6 dargestellt ist, wo die Leitungen 140 und 142 zwischen den Kontakten 144 bzw. 146 und den Kontakten 148 bzw. 150 des Doppelwellengleichrichters 152 des Stromvi'.rsorgungsteils 155 der Schaltung 96 verlaufen. Der Kontakt 154 des Brückengleichrichters 152 ist mit der Leitung 156 verbunden, während der Kontakt 158 des Brückengleichrichters 152 mit der Leitung 160 verbunden ist, die mit einem geeigneten positiven Spannungsregler 162 verbunden ist, der Ober den Leitungen liegt und mit der Leitung 156 über eine Verbindungsleitung 164 verbunden ist. Außerdem liegen zwischen positivem und negativem Pol der Brücke geeignete Filterkondensatoren 166, 168 und 170. Eine Verbindungsleitung 172 verbindet die Anschlußklemme 174 mit der Leitung 176. Der Leistungseingang nach der Schaltung 96 an den Klemmen 144 und 146 hat vorzugsweise die Form einer geeignet geregelten Spannungszuführung, die an diese Klemmen 100 angeschlossen ist, Uiid die Spannung kann etwa 20 bis 30 VdIt Gleichspannung betragen. Sie kann auch 18 bis 26 Volt Wechselspannung sein. Wenn Wechselspannung zugeführt wird, dann richtet die Brücke 152 diese Spannung gleich, wobei der positive Spannungsregler 162 in herkömmlicher Weise so

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angeordnet ist, daß er einen Ausgang von 15 Volt Gleichspannung erzeugt. Stattdessen können die 15 Volt Gleichspannung auch über die Anschlußklemme 174 zugeführt werden.

Die Leitungen 156 und 176 sind mit den Anschlußklemmen 1Θ2 und 180 der Brücke 95 über Leitungen 183 bzw. 164 verbunden, wobei die Leitung 156 in geeigneter Heise mit Masse 186 verbunden ist* Die Leitung 188 verbindet elektrisch die Verbindungen 183 und 184 über geeignete Widerstände 190, 194 und 196 und ein Potentiometer 192, welches eine Ausgleichsfunktion in verbindung mit dem Widerstand 196 der Leitung 198 hat, der mit "der Anschlußklemme 200 der Meßfühlerbrückenschaltung verbunden ist. Diese letztere Anschlußklemme ist über eine Leitung 204 mit einem geeigneten Verstärker 202 verbunden. Die Anschlußklemme 206 der Meßfühlerbrücke 95 ist über eine Leitung 208 an einen geeigneten Verstärker 210 angeschaltet. Zwischen dem Verstärker 202 bzw. 210 liegen in Reihe ein Potentiometer 212, der den Arbeitsbereich festlegt und ein Widerstand 214. Die Widerstände 190, 194, 196 und das Potentiometer 192 bilden einen Ausgleich für die meßfühlerbrücke 95, um den Stromfluß über die Widerstände 212 und 214 so auf 0 einzustellen, daß die Fühlerelemente der Meßfühlerbrücke 95 bezüglich ihrer herstellungstechnisch bedingten Widerstandsänderungen ausgeglichen sind. 0er Nullabgleich an dieser Stelle wird vorgesehen, um das Zusammenwirken zwischen dar Meßfühler-Bereichseinstellting und den Nullabgleich auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

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Das Potentiometer 212 wirkt mit dem Widerstand 214 zusammen, wodurch erreicht .wird, daß je niedriger der Widerstand darüber ist, desto höher der Bereich des Strumungsmitteldruckes wird, der durch das Meßgerät verarbeitet werden kann und umgekehrt, je nach dem erforderlichen Druckmeßbereich.

Die Verstärker 202 und 210 sind zusammen mit dem Verstärker 216 und den Widerständen 218, 220, 222, 224, .226, 228, 230 und 232 in geeigneter Weise so zusammengeschaltet, daß ein Stromverstärker 234 gebildet wird, der das Signal von der Brücke 95 empfängt und dieses auf etwa 20 mA Vollausschlag verstärkt. Für den Fall, daß ein Überspannungssignal auftritt, welches von der Spannungsmeßbrücke 95 herrührt, sind Widerstände 230 und 232 vorgesehen, die einen Strombegrenzer 232 bilden, der den Ausgang begrenzt, der vom Stromverstärker 234 geliefert wird.

Ein geeigneter Verstärker 236 und geeignete Transistoren 238 und 240 bilden einen Endstromverstärker für den StröiJiwandler 242, um einen Stromausgang an der Klemme 244 über die Verbindung 245 zur Verfügung zu haben. Der Wert wird durch den Spannungsabfall über dem Widerstand 246 in der Leitung 247 bestimmt, die mit Masse 186 verbunden ist.

Der Nullabgleich des Meßfühlers wird durch ein Potentiometer 248 in Verbindung mit dem Widerstand 251 bewirkt.

Demgemäß bildet das Potentiometer 212 eine Meßfühlerbereichseinstellung, die durch das Bezugszeichen 212Ä

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bezeichnet ist» und das Potentiometer 246 bewirkt ";; einen Nullabgleich und ist mit dem Bezugszeichen I- 248A gekennzeichnet.

j Die Potentiometer» Verstarker. Transistoren und andere

elektronische Schaltungselemente, abgesehen von der

Brücke d5 sind herkömmliche Einrichtungen, die kommer-

ziell in allen einschlägigen Geschäften verfügbar sind.

■;: Die Anordnung der Elektronikschaltung 96 ist derart,

;■' daß unter der Annahme, daß eine Spannung an den

Leitungen 140, 142 oder 1/2 liegt, die Brücke 95 im

Gleichgewicht verbleibt, so lange die Blattfeder 46 keinen Ausschlag hat, und es wird kein Signal an der ν Klemme 244 erzeugt, mit Ausnahme des Signals auf das

ölas Potentiometer eingestellt war. Die Schaltung 96 ν wird natürlich erregt, wenn die Druckmittel leitungen

■ Il04 und 106 in geeigneter Weise an Druckmittelquellen

X angeschlossen werden. Wenn Drücke gemessen werden,

dann bleibt die Gehäuseverbindung 104 nach der Atmosphäre hin offen und die Gehäuseverbindung 106 ist mit der zu messenden Druckmittelquelle verbunden, die auf diese Weise mit der Hochdruckkammer 30 des Meßgerätes ι·ι Verbindung steht. Wenn Differentialdrücke zu messen sind, dann wird die Niederdruckquelle an den Gehäuseanschluß 104 angeschlossen und die Hochdruckquelle mit dem Gehäuseanschluß 106 verbunden.

In jedem Fall führt das Anlegen von Drücken an das

Meßgerät 10, was einen Ausschlag der membran 28 zur

Folge hat, zu einem entsprechenden Ausschlag der wirksamen Länge der Blattfeder 55, wodurch der Meßfühler

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- 26 - §

84 außer Gleichgewicht kommt, so daß ein Signal - -von der Schaltung 96 geliefert wird, welches sich "~~ proportional zur Auslenkung des wirksamen Abschnitts "~ der Blattfeder verändert, wenn diese Blattfederlänge relativ zu der festen Länge 47 der Blattfeder und dem Schwenkpunkt 60 versetzt wird. Der Anschluß 244 des Steckers 100 ist in geeigneter Weise mit einem Anzeigegerät verbunden, um das Signal des Meßgerätes 10 zu überwachen und bei normalem Betrieb wird der Nullabgleich 248A so eingestellt, daß ein Nennstrom von beispielsweise 4 mA an der Klemme 244 erscheint, wenn die Brücke 95 abgeglichen ist, wodurch ein minimales Signal von dem Meßfühler geliefert wird, wenn die Membran den gleichen Drücken auf beiden Seiten ausgesetzt ist, so daß die Feder 26 keinen Ausschlag zeigt. Jeder Ausschlag der Membran unter Drücken, die die Membran auslenken, bewirkt demgemäß eine Auslenkung der Blattfeder mit dem Ergebnis, daß sich das Signal ändert, welches über den Stecker 244 und eine geeignete Verbindung nach einem Aufzeichnungsgerät oder einem Anzeigegerät übertragen wird. Die Schaltung führt dazu, daß die Stufe 96 einen Ausgang von etwa 4 bis 20 mA oder 1 bis 5 mV liefert, und diese Ausgänge können einem Meßgerät» einer Kontrollvorrichtung oder einem Computer zugeführt werden.

In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß dann wenn der Druck einer Druckquelle oder die Drücke beider Druckquellen sich ändern,(an die der Wandler 10 angeschaltet ist) dann wird ein Drucksignal geliefert, welches die Wandlermembran und demgemäß die Blattfeder 46 auslenkt. Dies erzeugt wiederum eine Biegebean-

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spruchung in dem Meßfahler 84, wodurch eine Änderung -der Querschnittsfläche der teiterb'ahnen bewirkt wird, was zu einer Widerstandsänderung der Meßfühlerschaltung führt. Es ist diese Widerstandsänderung, die das elektrische Wandlerüberwachungssignal liefert, das proportional zu dem Drucksignal ist und seinerseits modifiziert und verstärkt in verschiedenen 1CeB- oder Steuersystemen ausgewertet werden kann.

In Fig. 2 und 6 sind die elektronischen Schaltungselemente und die Verbindungsleitungen, die diese verbinden, um die Schaltung 96 zu verwirklichen, schematisch dargestellt und mit entsprechenden bezugszeichen versehen. Die Verstärker 202, 210, 216 und 236 sind in einem IC zusammengefaßt, der von der Firma National Semiconductor unter der Bezeichnung LM 324 geliefert wird. Andere hersteller fertigen ähnliche Schaltstufen. Die Steckverbindung 100 ist eine herkömmliche Mehrfachsteckverbindung mit einem Steckerkörper 253, der in eine Öffnung 102 eingeschraubt und bei 257 mit einem geeigneten Epoxyd-Kunstharz abgedichtet ist. In Verbindung mit der Bereichseinstellung 212A und dem Nullabgleich 248A weist der Meßgerätedeckel 16 geeignete Lager für die Einstellknöpfe 260 und 262 auf, von denen der Knopf 260 mit dem Potentiometer 212 gekuppelt ist, um die Bereichseinstellung 212A vorzunehmen, während der Knopf 262 in geeigneter Weise mit dem Potentiometer 248 gekuppelt ist, um den Nullabgleich 248A vorzunehmen. Dies kann auf irgendeine Weise geschehen. Die Knöpfe 260 und 262 tragen einen Stift 264, der In eine Fassung oder einen Schlitz in drehbaren Schaltungselementen (Fig. 3 und 5) des jeweiligen Potentiometers 212 und

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248 einpaßt, wodurch eine Verbindung 2i53 geschaffen^: wird, die ähnlich ist wie die Verbindung bei dem Gerät nach der US-PS 38 62 416 (Fig. 11). Die Knöpfe 260 und 262 sind ständig im Deckel 16 gelagert, wobei geeignete Sprengringe 271 vorgesehen sind und die Abdichtung erfolgt Ober O-Ringe 267 (Fig. 5), und diese Knopf lagerung entspricht der Lagerung gemäß der US-PS 38 62 416. Der Deckel 16 kann äußere Kennzeichnungen 271 tragen, beispielsweise ein Warenzeichen oder eine Produktanzeige.

Die Schaltungsplatine 98 kann von üblicher Bauart sein und aus einem dielektrischen starren oder im wesentlichen nicht flexiblen Substrat bestehen, welches aus Giasfaser-Epoxyd-Harz oder auf Phenolbasis hergestellt ist und dxe jeweiligen Leiterbahnen enthält. Gemäß dem dargestallten Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatine 98 mit einer ringförmigen öffnung 269 ausgestattet, die auf die Verbindung 34 ausgerichtet ist.

Die Lagerung der Schaltungsplatine 98 im Gehäuse 12 erfordert - wenn die Drehtverbindungen vollendet sind daß die Verbindungen 270 und 272 der gedruckten Schaltung mit den jeweiligen GehäuseanschlUssen 274 und 276 (Fig. 6) verbunden werden und es werden Schrauben 278 und 279 in Löcher 280 und 282: eingeschraubt, die an den Ansätzen 274 und 276 engeordnet sind und deren Lageroberflächen 284 und 286 eben ausgebildet sind und in der gleichen Ebene wie das Instrument verlaufen.. Der Kopfteil 290 der Platine 98 ist mit einer öffnung 292 versehen, um Lagerschrauben 294 aufzunehmen, die die Leiterplatine 98 mit einem Lagerträger 296 verbinden,

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der am Gehäuse 12 durch zwei Schrauben mit Muttern - ., 298 festgelegt ist, wobei der Träger 296 einen ~~~ Lagerflansch 300 aufweist, der mit Schraubgewindelöchern versehen ist, um eine Schraube 294 aufnehmen zu können. Der Träger 296 weist ebenfalls Löcher auf, um die Schrauben 298 aufzunehmen.

Das offene Ende 14 des Gehäuseteils 12 ist so ausgebildet, daß eine kegelstumpfförmige Oberfläche 310 definiert wird, gegen die eine O-Ringdichtung 312 anliegt, die von einer Ringnut 314 aufgenommen ist, die in der Seitenwand 318 des Deckels angeordnet ist. Der Ring 18 liegt Ober dem Deckel 16 und weist einen ringförmigen Befestigungsflansch 318 auf, der einstückig mit einem inneren Rand hergestellt ist, um die Dichtung 312 gegen die Gehäuseoberfläche 310 zu drücken, wenn der Ring mit seinem Innengewinde 320 auf das Außengewinde 322 des Gehäuses aufgeschraubt wird, um eine Abdichtung der Hochdruckkammer am Ende 14 des Gehäuses 12 zu gewährleisten. Beim Anbringen des Deckels und des Ringes am Gehäuse 12 werden die Schlüsselelemente der Knöpfe 260 und 262 in die Fassungen der Bereichseinstellvorrichtung 212A und der Nullabgleichsvor^ichtung 248A eingeführt.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Meßgerät 10 von einem herkömmlichen U-förmigen Träger 330 (Fig. Z) gehaltert, dpr an der Rückwand 22 des Gehäuses 12 durch Muttern 332 bzw. 334 festgelegt ist, die auf Gewindestifte 336 und 338 aufgeschraubt üind, die in Gewindebohrungen der Gehäuserückwand 22 eingeschraubt sind.

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Natürlich können auch andere Lageranordnungen An- Wendung finden. - "* ' ' |i

Was die Bereichseinstellvorrichtung 212A und die | Nullabgieichseinrlchtung 248A anbelangt, so kennen ^; diese anstelle von Stell knöpfen 260 und 262 auch mit einem einstellbaren Rotor versehen sein, der einen Schraubenzieherschlitz aufweist, wobei nicht dargestellte Öffnungen über dem Schraubenzieherschlitz liegen, die durch geeignete Stopfen verschlossen werden können, so daß die Einstellelemente nicht mehr so leicht zugänglich sind.

Die Gehäuseverbindung nach der Niederdruckkammer (Fig. 8) ist am inneren Ende trichterartig ausgebildet (bei 340), wodurch eine relativ kleine Einlaßbohrung 342 gebildet wird, indem diese öffnung mit einem geeigneten Kunstharz 344 ausgefüllt wird und eine Bohrung 342 mit einem Durchmesser von etwa 1,3 mm eingebohrt wird.

Durch die Erfindung wird daher ein Druckmeßgerät geschaffen, bei weicher die'Empfindlichkeit unabhängig von der Größe der Membran ist und die Membran besteht aus einem relativ billigen gummiartigem Material.

Die Elektronikschaltung 96 gewährleistet den erforderlichen Konstantspannungseingang far die Wandlerbrücke | 95 und die 15-Volt-Gleichspannung vermindern die Wärie fiber den Widerständen, welche die Brücke 95 bilden« wodurch die Genauigkeit der Ablesung erhöht wird*

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Da die Schaltungselemente der Schaltung 96 auf einer Platine 98 angeordnet sind« die Ihrerseits starr aus- gebildet und mit dem Gehäuse 12 verbunden ist, ist der Wandler 10 gegen überstoß und Vlbration widerstandsfähig. Außerdem ist die Anordnung des Wandlers derart» daß er wiederholt Drücken ausgesetzt werden kann, die über der maximalen Druckgrenze liegen, ohne daß eine Beschädigung erfolgen könnte und eine neue Eichung erforderlich wäre.

Das vom Meßgerät gelieferte Signal kann einen absoluten Druck gegenüber atmosphärischem Druck oder Diffsrentialdrücken liefern, und das Ausgangssignal kann benutzt werden, um an einer entfernt liegenden Stelle eine Anzeige zu liefern, oder um an irgendeiner Stelle weiter verarbeitet zu werden.

Kommerziell wird eine Reihe von Modellen des Druckmeßgerätes nach der Erfindung hergestellt, die Arbeitsbereiche beispielsweise zwischen 0 und 37,38 m bar aufweisen, während andere Modelle Arbeitsbereiche zwischen 0 und 1,38 bar besitzen. Die Blattfederlagerung des Druckwandlers, der in Verbindung mit einer Gummimembran statt mit einer Metallmembran arbeitet, wird als Schlüsselfaktor bei Niederdruckbetrieb angesehen, um hierbei eine hohe Genauigkeit zu erzielen.

Der beschriebene Wandler ist ideal in seiner Anwendung fQr kommerzielle und industrielle Energie-Verarbeitungssysteme. Beispielsweise kann der Wandler benutzt werden um die mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden Ge»

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blase zu überwachen und um Systemdämpfungseinrich-~ tungen zu überprüfen. Kontinuierliche Daten der Luftgeschwindigkeiten in Kanälen und Druckabfälle über Luftfiltern können einem steuernden Computer zugeführt werden. Ahnliche Anwendungen ergeben sich in Umwelt-Überwachungssystemen. Auf dem medizinischen Sektor kann der Wandler mit einer computergesteuerten Ausrüstung zusammenarbeiten, um Daten bezüglich des Blutdruckes und der Atmung zu liefern.

Wenn es erforderlich ist, eine kontinuierliche Aufzeichnung zu steuern, oder einen geringen Luftdruck oder Gasdruck in einem System zu steuern, kann der Druckwandler auch diese Aufgabe übernehmen.

Claims (1)

1. •f *· ·. ί · ·■

   Patentanwälte .· ··: DiJ>J_;r;lng_;>Cu!rt Wallach

   Europäische Patentvertreter DiplV-ing'/eÜnther Koch

   European Patent Attorneys Dipl.-Phys, Dr.Tino Haibach

   Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

   D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d G 82 25 208.4 _naltim. 29. Dezember 1983

   Dwyer Instruments, Inc. unser zeichen: 17 4-78 K/Hu

   Junction Indiana Route 212

   and TJ. S. Route 12

   Michigan City, Indiana 46360

   USA

   Druckmeßvorrichtung

   Schutzansprüche:

   1. Druckmeßvorrichtung mit einem Gehäuse, das einen Druckraum umschließt, in dem eine flexible Membran aufgespannt ist, die eine Hochdruckkammer von einer Niederdruckkammer trennt, mit einer Blattfeder innerhalb der Hochdruckkammer, welche der Membran auf einer Seite aufliegt und auslegerartig schwenkbar im Gehäuse gelagert ist, und mit einem Lenker, der die Membran mit der Blattfeder verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß

   ,-, die Blattfeder (46) einen Druckfühler (84) trägt,

   der aus vier quadratisch angeordneten Widerstandselementen (86, 88, 90, 92) besteht, wobei die Leiterbahnen jeweils zweier Elemente (86, 90) in Längsrichtung der Blattfeder (46) verlaufen und die anderen (88, 92) quer dazu, und daß das Gehäuse (11) eine Printplatte (98) mit einer elektronischen Atiswerteschaltung (96) aufnimmt.

   2. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet , daß das Ende (48)
   der Blattfeder (46) gegen einen im Gehäuse gelagerten Schlitten (52) anliegt, der eine U-förmige
   Klemme (54) lagert.

   · Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandselemente (86, 88, 90, 92) dicht benachbart zur
   Schwenkachse (60) auf der Blattfeder (46) aufgeklebt sind.

   4. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandselemente (86, 88, 90, 92) aus Folienbahnen bestehen.

   5* Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (11) einen ersten manuell einstellbaren Potentiometer
   aufweist, um den Bereichseinstellknopf (260) einzustellen, und einen zweiten manuell einstellbaren
   Nullabglsichs-Einstellknopf (262) lagert.

   ο Eruckmeßvorriehtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (11) einen Hochdruckanschlvß -und einen Niederdruckanschluß aufweist, die mit den Kammern beidseitig der Membran (28) in Verbindung stehen.

   7· Differentialdruck-MeßvörFlchtung nach einem der

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   Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (11) topfartig
   ausgebildet und an der Frontseite offen ist, daß die Rückwand (22) eine Ausnehmung aufweist, die zusammen mit der Membran (28) die Niederdruckkammer (26) definiert, daß das Gehäuse einen abnehmbaren Deckel
   (16) auf der Frontseite aufweist, der mit der
   Membran (28) zusammen die Hochdruckkammer (30) definiert, und daß die Membran (28) einen kreisförmigen
   Umfang hat.

   8. Druckmeßvorrichtung nach Ausspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsei era ent e (86, 88, 90, 92) aus einer Konstantan-Folie ausgeätzt sind und ein Verhältnis von Oberfläche zum Querschnitt besitzen, das etwa 190:1 beträgt.

   9. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (28) aus einem elastomeren Material, z. B. aus Silicongummi, besteht.

   10. Druckmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 8,

   dadurch gekennzeichnet, daß
   die Widerstandselemente (86, 88, 90, 92) mittels
   Kunstharz auf der Blattfeder (46) fixiert sind.