Membrankonstruktion für Druckaufnehmer
Der wichtigste und zugleich der den schwersten Anforderungen ausgesetzte Teil eines Druckaufnehmers stellt dessen Membrane dar. Bekanntlich werden Druckaufnehmer zur Messung von Druckveränderungen in Brennkraftmaschinen, Turbinen, hydraulischen und ballistischen Systemen, in Raketen, Explosionsverformungsmaschinen usw. verwendet. Dabei wirken die gasförmigen oder flüssigen Medien teilweise stark variierend in Temperatur und Druck auf die Membrane. Dieselbe überträgt die daraus resultierende Kraft auf ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement, das ein piezoelektrisches, ein induktives, ein widerstands- oder piezoresistives oder ein kapazitiv wirkendes'Element sein kann.
Anschliessend an dieses Element folgen, verbunden über Kahelleitung, elektronische Verstärker oder Messbrücken, deren Ausgangssignale Oszillographen, Bandaufnahmegeräten oder elektronischen Schreibgeräten zugeführt werden.
Durch die oft gleichzeitige Einwirkung rascher Druckund Temperaturstösse auf die Membrane ist dieselbe bei Dauerbetrieb schwerster mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Zudem bewirken Temperaturänderungen des Druckmediums Spannungsänderungen in der Membrane, was zusätzliche Krafteinwirkung auf die nachgeschalteten Wandlerelemente auslöst und damit zu fehlerhaften Messungen der Druckverläufe führt. Die Konstruktion der Membrane eines jeden Druckaufnehmertypes stellt somit vielfältige und schwer in sich zu vereinigende Anforderungen.
Die Erfindung ermöglicht, den nachteiligen Einfluss von Temperaturänderungen des Druckmediums auf die Messmembrane weitgehend auszuschalten. Die erfindungsgemässe Membrankonstruktion für Druckaufnehmer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messmembrane eine Wärmeschutzplatte vorgeschaltet ist.
Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen handelsüblichen Druckaufnehmer,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Druckaufnehmer mit Wärmeschutzplatte,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen lJruckaurneh- mer mit Wärmeschutzplatte und Deckmembrane.
Entsprechend Fig. 1 besteht ein handelsüblicher Druckaufnehmer aus dem Aufnehmerkörper 1, dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement 2 und der die Öffnung 7 abschliessenden Membrane 3. Die Membrane 3 ist normalerweise mittels einer Ringwulst 4 elektrisch auf den Körper 1 geschweisst oder mittels Hartlötung 6 mit demselben verbunden. Zudem weist sie eine kettenlinien ähnliche Form auf, die zur Verringerung der mechani schen Spannung beiträgt. Die Dicke < eS) 5 der Membrane 3 ist meist durch die Möglichkeiten der mechanisch einwandfreien Verbindung mit dem Körper 1 festgelegt. Die Erfahrung hat nämlich gezeigt, dass einwandfreie Schweissverbindungen nur mit Membranen erzielt werden, die mehr als 0,10 mm dick sind. Mit dünneren Membranen ergibt die elektrische Stumpfschweissung Durchbrand stellen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann die Wärmeschutzplatte 46 mit einer Klebeschicht 47, z. B. aus Silikongummi, auf die Druckmembrane 43 aufgeklebt sein. Zusätzlich ist ein mit dem Gehäuse 41 verschweisster Klemmring 45 mit einer Sicherung, z. B. einer Anschrägung a am Innendurchmesser, ausgerüstet, wodurch eine einwandfreie Halterung der Wärmeschutzplatte 46 gewährleistet ist. Dieselbe besteht beispielsweise aus einem getränkten Asbestgewebe oder einem sehr feinen Metallgewebe.
Entsprechend Fig. 3 ist es auch möglich, unter Zuhilfenahme des Klemmrings 55 eine als Schutzmembrane wirkende Metallfolie 57 aus Metall über der Wärmeschutzplatte 56 anzubringen und mit dem Klemmring 55 dicht zu verschweissen. Eine solche Schutzmembran kann sehr dünn und sowohl perforiert oder auch dicht sein.
Die beschriebene Membrankonstruktion ermöglicht es, Druckaufnehmer zu bauen, die im Dauerbetrieb neben hohen mechanischen Beanspruchungen scharfen Temperaturänderungen des Druckmediums gewachsen sind und deren empfindliche Membrane gegen mechanische Beschädigung - insbesondere im rauhen Prüfbetrieb - wirksam geschützt sind.
Diaphragm construction for pressure transducers
The most important and at the same time the most difficult part of a pressure transducer is its membrane. It is known that pressure transducers are used to measure pressure changes in internal combustion engines, turbines, hydraulic and ballistic systems, in rockets, explosion deformation machines, etc. The gaseous or liquid media act on the membrane, in some cases greatly varying in temperature and pressure. The same transmits the force resulting therefrom to a mechanical-electrical transducer element, which can be a piezoelectric, inductive, resistance or piezoresistive or capacitive element.
This element is followed by electronic amplifiers or measuring bridges, connected via a direct line, whose output signals are fed to oscilloscopes, tape recorders or electronic writing instruments.
Due to the often simultaneous action of rapid pressure and temperature surges on the membrane, it is exposed to the heaviest mechanical stress during continuous operation. In addition, changes in temperature of the pressure medium cause tension changes in the membrane, which triggers additional force acting on the downstream transducer elements and thus leads to incorrect measurements of the pressure curves. The construction of the diaphragm of each type of pressure transducer therefore poses diverse and difficult to combine requirements.
The invention enables the disadvantageous influence of temperature changes in the pressure medium on the measuring membrane to be largely eliminated. The membrane construction according to the invention for pressure sensors is characterized in that the measuring membrane is preceded by a heat protection plate.
The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawing. Show it:
1 shows a cross section through a commercially available pressure transducer,
2 shows a cross section through a pressure transducer with a heat protection plate,
3 shows a cross section through a pressure transducer with a heat protection plate and cover membrane.
According to Fig. 1, a commercially available pressure transducer consists of the transducer body 1, the mechanical-electrical transducer element 2 and the membrane 3 closing the opening 7. The membrane 3 is normally electrically welded to the body 1 by means of an annular bead 4 or connected to it by means of brazing 6 . It also has a shape similar to that of a chain line, which helps to reduce the mechanical tension. The thickness <eS) 5 of the membrane 3 is usually determined by the possibilities of a mechanically perfect connection with the body 1. Experience has shown that perfect welds can only be achieved with membranes that are more than 0.10 mm thick. With thinner membranes, electrical butt welding results in burn-through.
As can be seen from Fig. 2, the heat protection plate 46 with an adhesive layer 47, for. B. made of silicone rubber, be glued to the pressure membrane 43. In addition, a clamping ring 45 welded to the housing 41 is provided with a fuse, e.g. B. a bevel a on the inner diameter, whereby a proper holding of the heat protection plate 46 is guaranteed. It consists for example of a soaked asbestos fabric or a very fine metal fabric.
According to FIG. 3, it is also possible, with the aid of the clamping ring 55, to apply a metal foil 57 made of metal, which acts as a protective membrane, over the heat protection plate 56 and to weld it tightly to the clamping ring 55. Such a protective membrane can be very thin and perforated or also tight.
The diaphragm construction described makes it possible to build pressure transducers which, in addition to high mechanical loads, can withstand sharp temperature changes of the pressure medium in continuous operation and whose sensitive diaphragms are effectively protected against mechanical damage - especially in harsh testing conditions.