DE1199516B

DE1199516B - Pressure measuring device

Info

Publication number: DE1199516B
Application number: DEB66396A
Authority: DE
Inventors: Hsia S Pien
Original assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Current assignee: Baldwin Lima Hamilton Corp
Priority date: 1961-04-24
Filing date: 1962-03-16
Publication date: 1965-08-26

Description

Druckmeßgerät Die Erfindung betrifft ein Druckmeßgerät, bei dem der zu messende Druck über eine Membran auf ein - insbesondere mit elektrischen Widerstandsdehnungsmeßstreifen versehenes - einerseits mit der Membran, andererseits mit einem Widerlagerteil in Verbindung stehendes Meßelement einwirkt.Pressure measuring device The invention relates to a pressure measuring device in which the pressure to be measured across a membrane - especially with electrical resistance strain gauges provided - on the one hand with the membrane, on the other hand with an abutment part in Connected measuring element acts.

Es ist bereits auf verschiedene Weise versucht worden, wirkungsvolle Meßgeräte dieser Art herzustellen. Hierbei treten jedoch dadurch Schwierigkeiten auf, daß zufolge der Einspannung der Membran der zu messende Druck nicht nur auf das eigentliche Meßelement übertragen wird, sondern zum Teil auch über die Einspannung der Membran abgeleitet wird. Auf diese Weise kann erfahrungsgemäß ein Anteil bis in die Größenordnung von etwa 40 ovo des zu messenden Druckes für die Messung verlorengehen. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß die Membran übermäßig stark gebogen wird, wenn das Meßelement unter dem Einfluß des zu messenden Druckes eine relativ große Formänderung in Belastungsrichtung erfährt. Durch die starke Durchbiegung der Membran werden die Verhältnisse bezüglich der Lastverteilung auf das Meßelement und die Membraneinspannung noch ungünstiger. Aus diesem Grunde wäre es zweckmäßig, mit möglichst geringen Auslenkungen zu arbeiten. Dem steht jedoch wiederum entgegen, daß zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit eine möglichst große Formänderung des Meßelementes angestrebt werden sollte, um einen großen Meßeffekt zu erzielen. Als weiterer Nachteil tritt auf, daß Meßelemente bei großer Auslenkung eine niedrige Eigenfrequenz besitzen. Weiterhin besteht bei derartigen Meßelementen mit großer Auslenkung die Gefahr, daß der Linearitätsfehler größer wird. It has been tried in several ways to be effective To manufacture measuring devices of this type. However, this creates difficulties on that, as a result of the clamping of the diaphragm, the pressure to be measured does not only increase the actual measuring element is transmitted, but also partly via the clamping the membrane is derived. In this way, experience has shown that a share of up to in the order of about 40 ovo of the pressure to be measured are lost for the measurement. Another difficulty is that the diaphragm is excessively flexed is when the measuring element under the influence of the pressure to be measured a relative undergoes a large change in shape in the direction of loading. Due to the strong deflection the diaphragm are the relationships with respect to the load distribution on the measuring element and the membrane restraint even more unfavorable. For this reason it would be useful to work with the lowest possible deflections. Against this, however, is that to achieve a high measurement accuracy, the largest possible change in shape of the Measuring element should be aimed at in order to achieve a large measuring effect. as Another disadvantage occurs that the measuring elements have a low deflection when the deflection is large Own natural frequency. Furthermore, there is a large with such measuring elements Deflection the risk that the linearity error is greater.

Bei den bekannten Geräten wird die zufolge des zu messenden Druckes in Belastungsrichtung im Meßelement hervorgerufene Formänderung zur Messung herangezogen. Es sind weiterhin Meßelemente bekannt, bei welchen durch gegeneinander versetzt angebrachte Schlitze Stegteile gebildet sind, die auf Biegung beansprucht werden. Bei allen derartigen Ausführungen ist aus den erwähnten Gründen eine relativ große Auslenkung in Belastungsrichtung mit den genannten Nachteilen erforderlich. In the case of the known devices, the pressure to be measured is determined by the The change in shape caused in the load direction in the measuring element is used for the measurement. There are also measuring elements known in which offset from each other Attached slots web parts are formed, which are subjected to bending. In all such designs, for the reasons mentioned, there is a relatively large one Deflection in the load direction with the disadvantages mentioned is required.

Die Erfindung bezweckt, die Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden, bzw. wesentlich zu vermindern. Es liegt ihr daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, bei dem die Membran bzw. das den Druck in das Meßelement einleitende Glied in relativ geringem Maße ausgelenkt wird, um einen guten linearen Verlauf der Meßkurve und eine mög- lichst hohe Eigenfrequenz des Gerätes zu erreichen, bei dem andererseits jedoch die relativ geringe Auslenkung in eine möglichst große Formänderung umgesetzt wird, um zur Erzielung hoher Genauigkeit einen möglichst großen Meßeffekt zu erreichen und gleichzeitig die Anbringung von Widerstandsdehnungsmeßstreifen normaler Größe zu gestatten. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach und wirtschaftlich herzustellendes Gerät zu schaffen, das möglichst als kompaktes und steifes Einbauteil verwendet werden kann. Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Verwendung eines in bekannter Weise mit versetzten Schlitzen versehenen Meßelements die Schlitze derart gestaltet und angeordnet sind, daß die zwischen dem mit der Membran in Verbindung stehenden Teil des Meßelementes und dem mit dem Widerlager in Verbindung stehenden Teil verbleibenden Stege unter der Druckwirkung einer Scherbeanspruchung unterliegen, welche gemessen wird. Ein derartiges Gerät kann vorteilhaft auch zur Last- bzw. Kraftmessung verwendet werden, wobei gegebenenfalls die Membran weggelassen werden kann. Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. The invention aims to overcome the disadvantages of the known devices to be avoided or to be significantly reduced. It is therefore based on the task to create a device in which the membrane or the pressure in the measuring element introductory limb deflects to a relatively small extent to make a good linear Course of the measurement curve and a possible to achieve the highest possible natural frequency of the device, on the other hand, however, the relatively small deflection into as large a deflection as possible Shape change is implemented in order to achieve high accuracy as possible to achieve great measuring effect and at the same time the attachment of resistance strain gauges allow normal size. Furthermore, the invention is based on the object to create a device that is simple and economical to manufacture, if possible can be used as a compact and rigid built-in part. According to the invention The object is achieved in that when using a in a known manner with offset slots provided measuring element designed the slots and are arranged that between the part communicating with the membrane of the measuring element and the part remaining in connection with the abutment Bars are subject to shear stress under the pressure effect, which is measured will. Such a device can advantageously also be used for load or force measurement the membrane can be omitted if necessary. Other features the invention can be found in the subclaims.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In schematischer Darstellung zeigt F i g. 1 einen vergrößerten Längsschnitt durch eine in einem zylindrischen Gehäuse eingebaute Einheit gemäß der Erfindung, F i g. 2 in verkleinerter Darstellung als Ausschnitt aus F i g. 1 das Meßelement, F i g. 3 eine um 900 gedrehte Darstellung desMeßelementes gemäß F i g. 2, F i g. 4 eine Schnittdarstellung gemäß I-I in Fig. 2, F i g. 5 eine Schnittdarstellung gemäß II-II in Fig. 2, F i g. 6 ein Schaltschema für die elektrische Zusammenschaltung der in den dargestellten Ausführungsbeispielen verwendeten Widerstandsdehnungsmeßstreifen. The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. In a schematic representation, FIG. 1 shows an enlarged longitudinal section through a unit according to the invention installed in a cylindrical housing, F i G. 2 in a reduced representation as an excerpt from FIG. 1 the measuring element, F. i g. 3 shows a representation of the measuring element according to FIG. 3 rotated by 900. 2, fig. 4th a sectional view according to I-I in Fig. 2, F i g. 5 shows a sectional view according to FIG II-II in Fig. 2, Fig. 6 a circuit diagram for the electrical interconnection the resistance strain gauges used in the illustrated embodiments.

In einem überwiegend zylindrischen, als Einbauteil ausgebildeten Gehäuse 1 ist in einem reduzierten Querschnitt eine Gewindebohrung 2 vorgesehen, die eine elektrische Klemmenkammer3 mit einem der Aufnahme eines Meßelementes 5 dienenden Raum 4 verbindet. Das Meßelement 5 besitzt verhältnismäßig massive Teile 6 und 7, von denen das Teil 6 als Krafteinleitungsteil und das Teil 7 als Widerlagerteil dient. In a predominantly cylindrical, designed as a built-in part Housing 1 is provided with a threaded hole 2 in a reduced cross-section, an electrical terminal chamber 3 with one of the receptacles for a measuring element 5 serving room 4 connects. The measuring element 5 has relatively massive parts 6 and 7, of which part 6 as a force introduction part and part 7 as an abutment part serves.

Das Widerlagerteil 7 ist in die Gewindebohrung 2 eingeschraubt und stützt sich der Bearbeitungsgenauigkeit wegen mit einer reduzierten Flanschfläche 17 auf dem reduzierten Querschnitt im Gehäuse 1 ab.The abutment part 7 is screwed into the threaded hole 2 and is based on the machining accuracy with a reduced flange surface 17 on the reduced cross-section in the housing 1.

Der einzuschraubende Teil des Widerlagerteils 7 ist mit 8 bezeichnet. Am entgegengesetzten Ende des Meßelementes 5 befindet sich das Einleitungsteil 6, das seinerseits eine Gewindebohrung 9 aufweist. In diese ist der Gewindeteil 14 einer Membran 10 eingeschraubt. Die Membran 10 ist mittels eines ringförmigen Flansches 11 an einer Nahtstelle 12 mit dem Gehäuse 1 verschweißt, sie kann jedoch auch in anderer an sich bekannter Weise mit dem Gehäuse verbunden sein. Ein Teil 13 der Membran stellt die elastische Verbindung zwischen dem Flanschteil 11 und dem starren Einschraubteil 14, der mit dem Schaft 15 in das Einleitungsteil 6 eingeschraubt ist. her. Der starre Membranteil 14 ist wiederum der besseren Bearbeitung wegen über eine ebenfalls relativ kleine Kreisringfiäche 16 auf dem Einleitungsteil 6 abgestützt.The part of the abutment part 7 to be screwed in is denoted by 8. At the opposite end of the measuring element 5 is the introduction part 6, which in turn has a threaded hole 9. The threaded part 14 is in this a membrane 10 screwed. The membrane 10 is by means of an annular flange 11 is welded to the housing 1 at a joint 12, but it can also be shown in FIG be connected to the housing in another manner known per se. Part 13 of the The membrane provides the elastic connection between the flange part 11 and the rigid one Screw-in part 14, which is screwed into the introduction part 6 with the shaft 15 is. here. The rigid diaphragm portion 14 is in turn due to better processing Via a likewise relatively small circular ring area 16 on the introduction part 6 supported.

Zur Vermeidung der Auswirkungen von Temperatureinflüssen auf das Meßelement ist eine übliche Vakuumverbindung 20 im Seitenteil 21 des Gehäuses 1 vorgesehen. Über diese Verbindung kann in an sich bekannter Weise ein Anschluß an eine, die inneren Verhältnisse im Meßgerät regulierende Einrichtung vorgenommen werden. To avoid the effects of temperature influences on the The measuring element is a conventional vacuum connection 20 in the side part 21 of the housing 1 intended. Via this connection, a connection to can be made in a manner known per se made a device regulating the internal conditions in the measuring device will.

Das Meßelement 5 besitzt eine hohlzylindrische Wandung 24, die sich in axialer Richtung zwischen dem Einleitungsteil 6 und dem Widerlagerteil 7 erstreckt und beide miteinander verbindet, wobei vorzugsweise die Teile integriert sind. Die Stärke der Wandung 24 ist entsprechend dem Meßbereich der Einrichtung dimensioniert. The measuring element 5 has a hollow cylindrical wall 24, which extends in the axial direction between the introduction part 6 and the abutment part 7 and connects both to one another, wherein preferably the parts are integrated. the The thickness of the wall 24 is dimensioned according to the measuring range of the device.

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind durch die Wandung 24 senkrecht zu ihrer geometrischen Mittelachse und diese schneidend zwei Bohrungen 25 und 26 und, diesen gegenüber um 90" versetzt, zwei weitere Bohrungen 27 und 28 vorgesehen. Die Bohrungen 25 und 28 sowie die Bohrung 26 und 27 sind durch Querschlitze 29 und 30 miteinander verbunden. Durch diese Anordnung der Bohrungen und Schlitze entstehen lastübertragende Teile 32 und 33, die starr mit dem Einleitungsteil 6 verbunden sind und sich in axialer Richtung erstrecken. Nahe dem Widerlagerteil7 sind in analoger Weise Bohrungen 25' bis 28' vorgesehen, die wiederum paarweise mit Schlitzen 35 und 36 miteinander verbunden sind. Die Anordnung ist hier jedoch so getroffen, daß die unteren Schlitze gegen- über den oberen Schlitzen am Umfang der zylindrischen Hülse 24 um 90" versetzt sind. Auf diese Weise entstehen weitere lastübertragende Teile 37 und 38, die starr mit dem Widerlagerteil 7 verbunden sind und sich ebenfalls in axialer Richtung erstrecken. As can be seen in particular from FIGS. 2 and 3, are through the wall 24 perpendicular to its geometric center axis and intersecting it two holes 25 and 26 and, offset from these by 90 ", two more holes 27 and 28 provided. The holes 25 and 28 and the holes 26 and 27 are through Cross slots 29 and 30 connected to one another. This arrangement of the holes and slots arise load-transmitting parts 32 and 33, which are rigid with the introduction part 6 are connected and extend in the axial direction. Near the abutment part 7 holes 25 'to 28' are provided in an analogous manner, in turn in pairs with slots 35 and 36 are connected to one another. The arrangement is here however so that the lower slits are opposite over the upper slits on the circumference of the cylindrical sleeve 24 are offset by 90 ". In this way, more load-transmitting parts 37 and 38, which are rigidly connected to the abutment part 7 and also extend in the axial direction.

Die beiden Gruppen von Übertragungsteilen sind am Hülsenumfang gegeneinander versetzt angeordnet.The two groups of transmission parts are against each other on the sleeve circumference staggered.

Über die zwischen den Bohrungen 25 und 25' bzw.About the between the bores 25 and 25 'resp.

26 und 26' bzw. 27 und 27' bzw. 28 und 28' befindlichen Hülsenteile stehen die Übertragungsteile miteinander in Verbindung. Diese Querverbindungsteile sind mit 40 bezeichnet. Es existieren je zwei Paare 40.26 and 26 'or 27 and 27' or 28 and 28 'located sleeve parts the transmission parts are connected to one another. These cross-connecting parts are denoted by 40. There are two pairs 40 each.

Selbstverständlich kann auch eine andere Zahl von Schlitzen und entsprechende Versetzungswinkel gewählt werden.Of course, a different number of slots and corresponding Offset angle can be selected.

Wirkt eine Druckbelastung auf die Membran 10 ein, so wird sie von dieser auf das Einleitungsteil 6 übertragen und von diesem über die mit ihm verbundenen Obertragungsteile 32, 33, die Querverbindungsteile 40, und die Teile 37, 38 zum Widerlagerteil 7 übertragen. Hierbei entsteht eine relative Verschiebung in axialer Richtung zwischen den Teilen 32, 33 und den Teilen 37, 38. Diese Relativbewegung der beiden Gruppen gegeneinander hat eine Scherbeanspruchung der Querverbindungsteile 40 zur Folge. If a pressure load acts on the membrane 10, then it is of this is transferred to the introduction part 6 and from this via the ones connected to it Transmission parts 32, 33, the cross-connection parts 40, and the parts 37, 38 for Transfer abutment part 7. This creates a relative shift in the axial direction Direction between parts 32, 33 and parts 37, 38. This relative movement of the two groups against each other has a shear stress on the cross-connecting parts 40 result.

Auf den Querverbindungsteilen 40 sind in an sich bekannter Weise zur Ermittlung der auftretenden Scherbeanspruchungen elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen angeordnet, und zwar sind auf jedem der Querverbindungsteile je zwei gegeneinander um 90" und gegenüber der Achsrichtung des Meßelementes 5 um 45" versetzte Meßstreifen an den Stellen A 1 bis A4 bzw. B1 bis B4 angebracht. In diesen Meßstreifen werden infolge der Scherbeanspruchungen Änderungen ihres elektrischen Widerstandes hervorgerufen, die, durch die in F i g. 6 dargestellte Meßbrückenschaltung summiert, eine dem zu messenden Druck entsprechende Meßgröße darstellen. On the cross connection parts 40 are in a known manner electrical resistance strain gauges to determine the shear stresses that occur arranged, namely two against each other on each of the cross-connecting parts Measuring strips offset by 90 "and by 45" in relation to the axial direction of the measuring element 5 attached at points A 1 to A4 or B1 to B4. Be in these measuring strips caused changes in their electrical resistance as a result of the shear stresses, the, by the in F i g. 6 summed measuring bridge circuit, one to the represent the corresponding measurand to be measured.

Die Querverbindungsteile 40 sind in Richtung des Umfanges sehr kurz, so daß sie sich in axialer Richtung nur sehr wenig verformen trotz großer Scherbeanspruchung. Dadurch ist nur eine sehr geringe Auslenkung des Krafteinleitungsteiles 6 und damit der Membran 10 erforderlich; das Meßelement wird sehr steif und bekommt eine hohe Eigenfrequenz. The cross connection parts 40 are very short in the direction of the circumference, so that they deform only very little in the axial direction despite high shear stress. As a result, there is only a very slight deflection of the force introduction part 6 and thus the membrane 10 required; the measuring element becomes very stiff and has a high Natural frequency.

Bei einer Ausführungsform mit einem Membrandurchmesser von etwa 30 mm, einer maximalen Gesamtlänge von etwa 54 mm, einem Meßelement von etwa 18 mm Durchmesser und etwa 11 mm Länge und Anordnung der elektrischen Widerstandsdehnungsmeßstreifen in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung wurde eine Empfindlichkeit von etwa 3 mV/V erreicht. Die erfindungsgemäße Gestaltung erforderte hierzu nicht die Verwendung von Widerstandsdehnungsmeßstreifen mit besonders kleinen Abmessungen. In one embodiment with a membrane diameter of about 30 mm, a maximum total length of about 54 mm, a measuring element of about 18 mm Diameter and about 11 mm length and arrangement of the electrical resistance strain gauges in a Wheatstone bridge circuit a sensitivity of about 3 mV / V reached. The design according to the invention did not require use for this of resistance strain gauges with particularly small dimensions.

Claims

Claims: 1. Pressure measuring device in which the pressure to be measured via a membrane - especially with electrical resistance strain gauges provided - on the one hand with the membrane, on the other hand with an abutment part in Connected measuring element acts, d a -characterized that when using one in a known way with staggered Slots (29, 30,35,36) provided measuring element (5), the slots are designed and arranged such that that between the part of the measuring element connected to the membrane (10) and the webs (40, 40, 41) are subject to shear stress under the pressure effect, which is measured will.

2. Pressure measuring device according to claim 1, characterized in that the Struts (40, 41) in the zones subject to shear stress in a manner known per se to determine the shear stresses with electrical resistance strain gauges, which are preferably connected to an electrical measuring bridge, are provided.

3. Pressure measuring device according to claim 2, characterized in that the electrical resistance strain gauges in pairs against each other by 900 and are offset by 450 relative to the printing direction.

4. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it - possibly with the omission of the membrane - to force or Load measurement is used. ~~~~~~~ Publications considered: German Auslegeschrift No. 1049113; U.S. Patents Nos. 2405199, 2458481, 2487595, 2737051, 2770703; VDI magazine, 1950, No. 4, pp. 89 to 94.