DE1942892A1 - Druckwandler zur Messung von Fluidumdrucken - Google Patents

Description

Kistler Instrument Corporation 2 2 Aliß 1QRQ

Clarence. N, Y.. V.St.A.

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Druckwandler zur Messung von Pluidundrucken

Die Erfindung betrifft einen kleinen, leichten und außergewöhnlich robusten Druckwandler und insbesondere einen mit einer einstückigen Hebel-Membrananordnung sowie BeIastungs- bzw. Spannungsmessern versehenen Druckwandler, welcher Drucke mit verbesserter Stabilität und Zuverlässigkeit über einen weiten Temperaturbereich hinweg und unter ungünstigen Umgebungsbedingungen zu messen vermag.

Druckmesser vom Membran-Typ sind bekannt und werden bei einer Vielfalt von Anwendungsfällen zur Messung von Pluidumdrucken unter Lieferung eines elektrischen Ausgangssignals, welches dem auf die Membran einwirkenden Druck entspricht, eingesetzt. Zahlreiche dieser bekannten Geräte verwenden eine die Kraft summierende Membran, die mittels einer Verbindungs- bzw. Übertragungsstange an einen Kraftmeßhebel zur Erzeugung eines die auf die Membran einwirkende Druckkraft anzeigenden Ausgangssignals angekoppelt ist. Soweit bekannt, besitzen jedoch alle bekannten Geräte dieser Art verschiedene Nachteile, einschließlich mangelnder Linearität und vergleichsweise großer Hysteresewirkung. Letztere führt zu einem Ausgangssignal, das bei sich erhöhenden Drucken über einen vorgegebenen Bereich hinweg anders ist als bei sich über den gleichen Bereich verringernden Drucken.

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Die Erfindung vermeidet die vorstehend genannten sowie .weitere Nachteile durch Schaffung eines neuartigen Druckwandlers, bei welchem ein Biegehebel einstückig mit einer die Kraft summierenden Membran kombiniert ist, so daß jede Notwendigkeit für eine zwischengeschaltete Verbindungsstange oder einen entsprechenden Bauteil vollständig entfällt; Beim erfindungsgemäßen Druckwandler ist eine den Druck messende flache Membran mit einem in sie eingebauten Biegehebel versehen, der an der vom Druckfluiduia beaufschlagten Seite der Membran mit Schwächungakerben bzw. -schlitzen versehen i3t. Der elektrische Abgriff ist in Form einer Wheatstoneschen Brücke ausgeführt, die vier mit der anderen Seite des Biegehebels verbundene, quer über den kraftkonzentrierenden Schlitzen angeordnete Widerstands-Spannungsmesser aufweist_e Hierdurch wird eine vereinfachte Konstruktion untei* vollständiger Ausschaltung der Notwendigkeit für eine Übertragungsstange ermöglicht und außerdem die Hysteresewirkung im Druckwandler wesentlich reduziert.

Das Beanspruchungs- bzw. Spannungsverhältnis zwischen den Druck- und Zugspannungsgliedern de.s Hebels kann durch Veränderung des Dickenverhältnisses des Hebels unter den Spannungsmessern eingestellt werden. Durch Egalieierung der Beanspruchung bzw. mechanischen Spannung zwischen diesen Meßkörpern läßt sich ohne weiteres ein maximales Ausgangssignal bei mäßiger Spitzenbeanspruchung erzielen und somit ein stabileres Wandler-Meßelement gewährleisten. Darüber hinaus kann die Linearität des druckabhängigen Ausgangssignals der die mechanische Spannung messenden Meßbrücke innerhalb eines begrenzten Bereiche durch Änderung der Verspannungswirkung an den Enden des Meßhebels geregelt wer-

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don, indem daa Verhältnis von Durchmesser an der einen Seite der Membran gegenüber dem Durchmesser an der anderen Seite der Membran verändert wird.

Da der erfindungsgemäße Druckwandler keinen Kolben, keine Stange odgl. bewegliche Teile aufweist, welche Reibung erzeugen würden, tritt nur eine außerordentlich geringe HystereseYri.rkung auf. Außerdem wird durch den einfachen Aufbau die Zuverlässigkeit beträchtlich erhöht. Da die Kombination aus dem Meßelement und der Membran gegenüber dem V/andlergehäuse vollständig spannungsisoliert ist, werden Verspannungs-, Halterungs- und Drehmoment-Ansprechempfindlichkeiten wirksam ausgeschaltet. Die mechanische Isolierung setzt außerdem die Empfindlichkeit gegenüber den Auswirkungen von Stoßen und infolge von Temperaturgefällen auf ein Mindestmaß herab. Der Druckwandler kann zur Messung des Drucks jedes beliebigen Fluidums, und zwar sowohl in Flüssigkeitsais auch in Gasform, angewandt und bei ruhenden, strömenden oder korrodierenden Fluiden eingesetzt werden, gegen welche eine rostfreie Stahlkonstruktion beständig ist. Er kann zur Messung der Drucke in Raketenmotoren, aufgeladenen Diesel-Schnelläufern, .bei Munitionsprüfung, bei ballistischen Versuchen, in Einspritz-Brennkraftmaschinen und Gasturbinen-Triebwerken sowie für zahlreiche andere Zwecke herangezogen werden, um Drucke in der Größenordnung von 0-211 kg/cm (absolut) zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung eines verbesserten Druckwandlers und, genauer gesagt, eines verbesserten Verbund-Spannungsmesser-Druckwandlers zur Verwendung bei einem Meßgerät unter Bildung eines Druckmessers zur Messung eines weiten Bereichs von Pluidumdrucken.

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ORIGINAL INSPECtBD

Dieser Druckwandler soll klein, leicht und außergewöhnlich robust aufgebaut sein und für die Meeeung eines weiten Bereichs yon Drucken unter ungünstigen Umgebungsbedingungen, einschließlich außergewöhnlicher Stoß- und Temperatur-Umgebungsbedingungen, einsetzbar sein. Darüber hinaus soll dieser Druckwandler Drucke in praktisch allen Arten von Fluiden, einschließlich Flüssigkeiten, Gasen und korrodierenden Fluiden, zu messen vermögen und eine hohe Linearität besitzen, keine beweglichen oder gleitenden Teile aufweisen und außerordentlich niedrige Hysteresewirkung zeigen·

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin- ' dung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine ungefähr in natürlichem Haßstab gehaltene perspektivische Darstellung eines Druckwandlers mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 einen lotrechten Schnitt durch den Druckwandler gemäß Fig. 1 zur Veranschaulichung der neuartigen Verbundkonstruktion eines Spannungsmessera und einer einstückigen Hebel-rMembran, in stark vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen Fig. 2 ähnelnden lotrechten Schnitt durch einen Abschnitt des Druckwandlers gemäß Fig. 2, in weiter vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3»

Fig. 5 einen Teilquerschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3 zur Darstellung des Druckkammeraufbaus,

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Pig. 6 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des in eine Meßbrückenschaltung eingeschalteten Spannungsmeß-Abgriffs des Druckwandlers,

Pig. 7 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckwandlers mit Verbundkonstruktion von Spannungsmesser und einstückiger Membran-Hebel- Anordnung,

Pig. 8 einen Pig. 7 ähnelnden Teilschnitt, in welchem der einstückige Bauteil strichpunktiert in durchgebogenem Zustand veranschaulicht ist, und

Pig. 9 einen Schnitt durch einen Abschnitt des Druckwandlers mit eingesetztem Reinigungsrohr zur Veranschaulichung der Art und Weise, auf weiche die Druckkammer periodisch gereinigt werden kann.

In Pig. 1 ist der erfindungsgemäße Druckwandler 10 in perspektivischer Darstellung ungefähr in natürlicher Größe veranschaulicht. Genauer gesagt, besitzt der Druckwandler bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform eine Gesamtlänge von etwa 76 mm, einen Durchmesser von etwa 25,4 mm und ein Gesamtgewicht von etwa 100 g. Der Druckwandler 10 weist ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Gehäuse 12 auf, das am einen Ende mit einem Sechskantkopf 14 und mit einem Gewinde 16 zur Halterung des Druckwandlers an einem Träger versehen ist. Das andere Ende des Druckwandler^ ist mit einer elektrischen Sechestift-Bajonettkupplung 1Ö versehen, über welche das vom Druckwandler erzeugte elektrische Ausgangssignal abgenommen werden kann.

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Gemäß Pig. 2 ist das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehende rohrförmige Gehäuse 12 an seinem einen Ende bei 20 mit einer Stirnplatte 22 verschweißt, die einstückig mit der Bajonettkupplung 18 ausgebildet ist. Das andere Ende des Gehäuses 12 ist bei 24 mit der Easis des Sechekantkopfes 14 verschweißt, welcher den das Gewinde 16 aufweisenden Anbauzapfen trägt. Das Gehäuse 12 bildet zusammen mit der Stirnplatte 22 und der Basis des Sechskantkopfes 14 eine Kammer 26, die vorzugsweise über eine in der Stirnplatte 22 vorgesehene Bohrung 28 auf ein möglichat vollständiges Vakuum evakuiert wird. Nach dem Evakuieren der Kammer wird die Bohrung 28 mittels einer Dichtung 30 verschlossen. Die evakuierte Kammer 26 liefert einen Bezugsdruck für die eine Seite einer aus einer Membran und einem mit ihr einstückigen Biegehebel bestehenden Anordnung 32.

In die Kammer 26 ist eine gedruckte Schaltungsplatte 34 eingebaut, auf welcher eine Anzahl von bei 36 und 38 angedeuteten elektrischen Bauteilen, wie Widerständen, Kondensatoren und dgl., montiert sind, die eine Kompensation des elektrischen Ausgangssignals gewährleisten. Die Druckmeß-Anordnung 32 ist mit den Bauteilen der Schaltungsplatte über Leitungen 40 verbunden, die eine Abschirmplatte 39 durchsetzen, während die Schaltungs-Bauteile ihrerseits über Leitungen 44 mit Stiften 42 der Bajonettkupplung verbunden sind.

Der Sechskantkopf 14 ist mit einem zentralen Durchgang 4⁸ versehen, über welchen das Druckfluidum, wie durch den Pfeil 45 angedeutet, einströmt. Außerdem weist der Sechskantkopf 14 eine Ringnut 50 für Halterungszwecke sowie einen dünneren Halsteil 52 auf, der als Entlastungs- bzw. Überdruckrohr

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ORlQfNAL INSPECTSD

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zur Isolierung der Druckmeß-Anordnung 32 gegenüber dem Anbau-Drehmoment dient. Der Durchgang 48 führt in eine durch einen Ring 56 und den Kopf 58 des Sechskantkopfes 14 gebildete Druckkammer 54 hinein. Der Ring 56 ist bei 60 mit dem Kopf 58 verschweißt.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 bis 5 ist eine kreisförmige Ilenbran 62 einstückig mit dem aua rostfreiem Stahl bestehenden Ring 56 ausgebildet. An der vom Vakuum bzw. Bezugsdruck beaufschlagten Fläche 64 der Membran sind vier Belastungs- bzw. Spannungsmesser 66, 68, 70 und 72 angebracht, von denen die Spannungsmesser 66 und 72 Druckspannungsmesser und die Spannungsmesser 68 und 70 Zugspannungsmesser sind. Diese Spannungsmesser sind mit einer in Fig. 6 veranschaulichten Heßbrücke verbunden. Sie können in einen Wechselstrom- oder einen Gleichstromkreis eingeschaltet sein, sind jedoch vorzugsweise an eine 10 V-Gleichspannungsquelle 74 der in Fig. 6 dargestellten Polarität angeschlossen, während der Ausgang der Meßbrücke über Leitungen 76 und 78 an die Plus- bzw. an die Minusklemme eines elektrischen Gleichstrommessers 80 geführt iet. Dieses Meßgerät liefert eine unmittelbare Linearanzeige des auf die Membran 62 gemäß den Fig. 3 und 4 einwirkenden Drucke.

Ein längsverlaufender Mittelabschnitt der Membran 62 ist bei 82 verdickt und "bildet einen rechteckigen Querschnitt besitzenden, aus rostfreiem Stahl bestehenden, einstückig mit der Membran 62 ausgebildeten Balken bzw. Hebel. Dieser Hebel 82 besitzt im wesentlicherilanggestreckte Rechteckform, ist jedoch an seinem einen Ende mit zwei halbkreisförmigen Ausnehmungen 84 und 86 und an seinem anderen Ende mit zwei entsprechenden Ausnehmungen 88 und 90 versehen, wobei die

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Ausnehmungen 84 und 86 durch öine Nut 92 und die Ausnehmungen 88 und 90 auf ähnliche Weise durch eine Nut 94 miteinander verbunden sind. Schließlich iet der Hebel 82 auch in seiner Mitte mit einer querverlaufenden Nut 96 versehen. Die Nuten 92, 94 und 96 sind in der von der Membran abgewandten Seite des Hebels ausgebildet, d.h. in der von dem zu messenden Fluidumdruck beaufschlagten Fläche, liegen jedoch gemäß Fig. 4 unmittelbar über den Spannungsmessern 66, 68, 70 und 72, die an der anderen Seite der einstückigen Membran-Hebel—Anordnung angeklebt sind.

Der Ring 56 weist einen erweiterten Innendurchmesser besitzenden Abschnitt 98 zur Aufnahme der Abschirmplatte 39 (Fig. 2) sowie einen Abschnitt 100 kleineren Durchmessers auf, welcher die dem Bezugsdruck in der Kammer 26 (Fig. 2) ausgesetzte Fläche der Membran 62 festlegt. An der anderen Seite der Membran-Hebel-Anordnung ist der Ring 56 mit einem Abschnitt 102 etwas größeren Durchmessers als demjenigen des Abschnitts 100 versehen, welcher einen Teil der Druckkammer 54 bildet und ebenfalls die Fläche festlegt, über welche hinweg der zu messende Fluidumdruck in der Druckkammer 54 auf die Membran-Hebel-Anordnung einwirkt.

Der Kopf 58 des Sechskantkopfes 14 läuft in einen einstückig mit ihm ausgebildeten Ringansatz IO4 aus, der bei 106 ausgeschnitten ist, so daß der Hauptteil des Ringansatzes IO4 mit dem Rest des Kopfes 58 über vier kleine Segmente 108 verbunden ist, von denen im Halbschnitt gemäß Fig. 5 nur zwei dargestellt sind. Die Ausschnitte 106 bilden Durchgänge für den Rückstrom des Druckfluidums aus der Druckkammer 54 über eine Ringkammer 110, die durch den Unterschied zwischen dem Innendurchmesser des Ring-Abschnitts 102 und dem Außen-

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durchmesser des Hingansatzes ICH festgelegt wird. Am Ringansatz 104 ist eine Füllscheibe 112 angeschweißt, die einen bei 116 mit Gewinde versehenen zentralen Durchgang 114 aufweist, welcher mit dem Druckfluidum-Durchgang 48 über den Halsteil 52 kommuniziert und über weichen das Druckfluidum Zugang zur Druckkammer 54 erhält.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckwandlers, bei welcher den vorher beschriebenen Bauteilen entsprechende Teile mit denselben Bezugsaiffern bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Druckmeß-Anordnung 32 der vorher beschriebenen Anordnung und weist einen Ring 56, eine Membran 62, einen Hebel 82 sowie Spannungsmesser 66, 68, 70 und 72 auf, wie sie vorstehend beschrieben sind. Gemäß Fig. 7 ist Jedoch das Gehäuse 12 abgewandelt und daher mit 12* bezeichnet. Dieses Gehäuse weist einen Anbauflansch 120 auf und ist am einen Ende bei 122 herumgezogen und an dieser Stelle durch eine Schweißung 124 mit dem Abschnitt 102 des Rings 56 verbunden. Gemäß Fig. 7 ist das Gehäuse 12¹ mithin an seinem rechten Ende vollständig offen, so daß die den Hebel 82 tragende Seite der Membran 62 unmittelbar der Atmosphäre ausgesetzt ist, welche das zu messende Druckfluidum enthält. Der Rest des Gehäuses 12' ist im Aufbau mit dem Gehäuse 12 gemäß Fig. 2 identisch und weist eine Unterdruck-Kammer 26 auf, welche einen Bezugsdruck für die andere Seite der Membran 62 liefert. Obgleich bei der bevorzugten Ausführungsfona die Kammer 26 als Unterdruck-Kammer dargestellt und beschrieben ist, kann sie bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 oder Fig. 7 selbstverständlich mit einem beliebigen Bezugsdruckfluidum, wie Flüssig-, keit oder Gas, gefüllt sein, um einen Bezugsdruck für „die

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eine Seite der Membran zu liefern. Pur Luft- und Raumfahrzwecke wird ein Unterdruck bzw. Vakuuir, bevorzugt, da hierbei der Ausgang unmittelbar als Absolutdruck abgelesen werden kann.

Pig. 8 ist eine Teilansicht der Meßanordnung 32 und veranschaulicht in strichpunktierten Linien die Art und Weise, auf welche sich die einstückige Membran-Hebel-Anordnung unter den auf sie einwirkenden Druckkräften durchbiegt. Aus Pig. 8 ist ersichtlich, daß die über der Hut 96 liegenden Spannungsmesser 68 und 70 bei der Durchbiegung des Hebels 82 unter einer Zugspannung stehen. Diese beiden Spannungsmesser bilden einander gegenüberliegende Diagonal-Bchenkel der in Pig. 6 dargestellten Meßbrücke und können als die Zugspannungs-Schenkel der Meßbrücke bezeichnet werden. Wenn sich die Membran-Hebel-Anordnung wie in Pig. 8 dargestellt durchbiegt, stehen andererseits die unmittelbar über die Nuten 92 und 94 verlaufenden und die Spannungsmesser 66 und 72 unterliegenden Abschnitte des Hebels unter einer Druckspannung. Dies bedeutet, daß die Außen-Pläche 64 der Uembran-Hebel-Anordnung an den Stellen der Spannungsmesser 66 und 72 einer Druckspannung bzw. -belastung unterworfen sind, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Diese beiden Spannungsmesser bilden -die anderen "beiden Diagonalschenkel der Meßbrücke gemäß Fig. 6 und können daher als deren Druckspannungs-Schenkel bezeichnet werden.

Durch die Art der Lagerung der Hembran 62 und insbesondere des Hebels 82 tritt wegen der Halterung dieser Glieder am Hing 56 nur eine geringe oder gar keine Yerforaung des Hebels 82 während""der Durchbiegung gemäß Pig. 8 auf. Dies ist weitgehend auf die geschlitzte Ausbildung der Enden des

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ORIGINAL INSPECTSD

IIebela 82 3o\vie darauf zurückzuführen, daß der Innendurchmesser des Abschnitts 102 des Rings 56 etwas größer ist als der Innendurchmesser des Ring-Abschnitts 100. Die Linearität des von der Meßbrücke gelieferten druckabhängigen Spannungs-Signals läßt sich innerhalb eines begrenzten Bereichs durch Änderung der Verspannwirkung an den Enden des Ließhebels regeln, was sich durch Änderung des Verhältnisses zwischen dem Durchmesser des Ring-AbSchnitts 1C2 und dem Durchmesser des Ring-Abschnitt3 100 bewerkstelligen läßt. Durch entsprechende Auswahl dieses Verhältnisses kann das Ausgangsnignal derart geregelt werden, da3 das Gerät eine Ausgangslinearität von 0,5$ besitzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis der Durchmesser der Ring-AbBchnitte 102 und 100 D₁₀OiD₁₀₀ = 1:1,07. Dieses Verhältnis kann entsprechend den zu messenden Drucken variiert werden, um die Verspannungskopplung an der Verbindungsstelle zwischen dem Hebel 82 und dem Ring 56 einzustellen. Durchmesserverhältnisse von 1,07 bis 1,10 haben sich als zufriedenstellend erwiesen, wobei sich die höheren Verhältnisse besser für die Messung niedrigerer Drucke, eignen. In jedem Pail sollte der Durchmesser des Ring-Abschnitts 102 größer sein als der Durchmesser des Ring-Abschnitts 100, so daß die VerSpannungskräfte an den Hebel-Endenkeine Nicht-Linearität in das Ausgangssignal einführen.

Die Membran 62 wird mit ELuidumdruck beaufschlagt, wobei diese Belastung von der Membran zum Teil auf den Hebel 82 und zum Teil auf die Wandhalterung bzw. den Ring 56 übertragen wird. Infolge der einstückigen, aus der Membran 62 und dem geschlitzten Hebel 82 bestehenden Konstruktion wird ein wesentlich größerer Prozentsatz der Belastung, d.h. Druck mal

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Fläche, durch die Membran auf den Hebel als auf die Wand übertragen, wobei diese Belastung in dem den kleinsten Querschnitt besitzenden Bereich des Hebels 82 konzentriert wird, d»h* in den unmittelbar unter den Spannungsffieasern und quer über den Nuten 92, 94 und 96 gelegenen Hebelabschnitten* Dadurch, daß die Spannungs- bzw« Belastungskon-Eentration in diesen vorbestimmten Bereichen lokalisiert ist, sind die Spannungsmeöser 66, 68, 70 und 72 ziemlich ansprechempfindlich, so daß sie schon bei verhältnismäßig kleinen Hebel-Durchbiegungen ein Ausgangesignal beträchtlicher Größe liefern*

Die Dicke der Membran, die Dicke des Hebels und die (Tiefe der Nuten sowie die Dicke der Spannungsmesser-Anordnungen hängen von der Größe des Geräts und von den zu fühlenden und zu messenden Drucken ab. Diese Werte lassen sich in Übereinstimmung mit der vorstehend dargestellten und beschriebenen Konstruktion innerhalb weiter Bereiche variieren. Im allgemeinen hat sich bei einer aus rostfreiem Stahl (Sorte Armco 17-4ΪΉ) bestehenden Membran eine Diöke von etwa 0,38 - 1,14 mm als zufriedenstellend erwiesen. Me Dicke des Hebels einschließlich der Membran, d«h. quer über die Membran gemessen, liegt vorzugsweise bei etwa 1,14 mni| die Dicke an der Nut 96 liegt vorzugsweise bei etwa 0,35 mm» während die Möke des Hebels, abzüglich der Membrandißke, unter den Nuten 92 und 94 vorzugsweise etwas größer ist und beispielsweise etwa 0,41 mm betragen kann* Die vorstehend angeführten Maße sind lediglich beispielhaft und haben eich für die Messung von Drucken im Bereich von etwa 0-211 kg/cm (absolut) als geeignet erwiesen*

Pig« 9 veranschaulicht die Art und Weise, auf welche die

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Druckkammer 54 der Auaführungsform gemäß den Pig, 2 und 3 periodisch gereinigt werden kann. Wenn der Druckwandler nämlich zur Messung der Drucke von Gasen oder Flüssigkeiten angewandt wird, welche Verunreinigungen mit sich führen, können sich nach einiger Zeit unerwünschte Peststoffablagerungen in der Druckkammer 54 bilden. Um diese Ablagerungen zu entfernen, muß auf die in Fig. 9 angedeutete Weise eine Reinigungslösung durch die Druckkammer geleitet werden.

Zu diesem Zweck kann gemäß Pig. 9 in den Fluidum-Durchgang 48 ein langgestrecktes hohles Rohr 130 eingeführt werden, das an seinem einen Ende 132 mit Gewinde versehen ist, so daß es in das Gewinde 116 im Durchgang 114- der in der Druckkammer 54 befindlichen Füllscheibe 112 eingeschraubt werden kann. Wenn das Ende des Rohrs 130 in die Füllscheibe 112 eingeschraubt worden ist, wird Reinigungslösung von einem nicht dargestellten Vorrat aus auf die durch den Pfeil 136 angedeutete Weise durch den die Innenfläche des hohlen Rohrs bildenden zentralen Durchgang 134 hindurchgepumpt. Diese lösung strömt durch das Rohr 130 in die Druckkammer 54_f aus welcher sie in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung über die Ringkammer 110 und die Ausschnitte 106 ausströmt₉ um über einen Ringkanal 138, der durch die Außenfläche des Rohrs 130 und die Innenfläche des Fluidum-Durchgangs 48 festgelegt wird, zum Vorrat zurückzufließen. Zur Gewährleistung einer optimalen Reinigung wird das Ende des Reinigungs-Rohrs 130 abwechselnd mit einer Lösungsmittelquelle und einer Druckluftquelle verbunden, so daß die Drucaer 54 abwechselnd der Wirkung von Reinigungslösung und Druckluft ausgesetzt wird und hierdurch alle Feststoffteilchen entfernt werden, die sich möglicherweise in der Druck-

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kammer angesammelt habe¹^ Die Füllscheibe 112 reduziert das Gesamtvolumen der Druckkammer und vermindert folglich ] die für ein Durchbiegen der aus der llembran und dem Hebel bestehenden Anordnung 32 erforderliche DruckfluidiLu-nenge.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, daß die Erfindung einen verbesserten, miniaturisierten kombinierten Spannungs-Druckwandler schafft. Wichtige Merkmale der Erfindung liegen in der Schaffung einer einstückigen Membran-Hebel-Anordnung, bei welcher der Hebel zur Konzentration der durch die Spannungsmesser gemessenen Belastungen geschlitzt ist, sowie in der Art und 'iYeise der Aufhängung des Hebels an seinen Enden in einem Ring mit verschiedenen Durchmessern, so daß ein linoares Ausgangssignal durch Regelung der Verspannkräfte am Ende des Hebels geliefert wird. Weitere wesentliche Merkmale betreffen die Schaffung einer neuartigen Reinigungsanordnung zur Reinigung der Druckkammer,

Durch Verwendung einer Füllscheibe wird die zum Rillen der Druckkammer benötigte Fluidummenge auf einem Mindestwert gehalten, so daß das Volumen der.Druckkammer nur etwa 0,82 cm oder weniger betragen kann. Diese kleine Druckkammer benötigt weniger Fluidum zum Füllen dieser Kammer und gewährleistet ein schnelleres Ansprechen des Druckwandlers auf sich ändernde Drucke. Alle Schweißverbindungen sind druckdicht, so daß die vollständig verschweißte, aus rostfreiem Stahl bestehende Konstruktion einen hermetisch abgedichteten, trockenen Aufbau bildet, wodurch Zuverlässigkeit unter ungünstigen Umgebüngsbedingungen gewährleistet wird. Das miniaturisierte, leichte Gerät ist so konstruiert, daß der Hebel und die Membran gegenüber dem Ge- '

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häu3e vollständig belastungsisoliert sind, so daß Verspannungs-, Halterung- und Drehmomenteinflüsse wirksam ausgeschaltet werden, während die mechanische Isolierung St oßenipfindlichkeit und Einflüsse infolge von Temperatur Schwankungen auf ein Mindestmaß herabsetzt *

Bereits gebaute und geprüfte Druckwandler mit den Merkmalen der Erfindung zeigen außergewöhnliche Nullpunkt- und Ansprechstabilität bei Temperaturen von -53⁰C bis +121⁰C. Der robuste Aufbau gewährleistet gute Linearität, Wiederholbarkeit und niedrige Hysteresewirkung, so daß die Anseigen unabhängig von ansteigenden oder abfallenden Drucken stets ziemlich gleich 3ind. Der Druckwandler kann auf jede Achae einwirkenden mechanischen Stoßen von 1000 G während einer Dauer von 1ms und 100 G während einer Dauer von 11 ms widerstehen. Beschleunigungs- und Schwingungsfehler werden auf einem Mindestmaß gehalten.

Der erfindungsgemäße Druckwandler kann zur Messung aller Arten von Fluiden, wie Flüssigkeiten oder Gasen, eingesetzt werden, die mit dem für den Aufbau des ganzen Geräts verwendeten rostfreien Stahl verträglich sind* Je nach dem gewünschten Genauigkeitsbereich des Ausgangssignals können verschiedene Abmessungen und Materialdicken angewandt werden. Die Belastungs- bzw. Spannungsmesser sind vorzugsweise mittels eines Epoxy-Klebmittels mit der Membran verklebt, so daß die Gesamtdicke der üblichen Spannungsmesser und der Klebmittelschicht wesentlich kleiner ist als die Membrandicke. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von Membrandicke zn Gesamtdicke des Spannungsmessers samt der ihn befestigenden Klebmittelschicht etwa 9:1. Eine weitere Herabsetzung der Dicke entweder der

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OBIGEM*

Spannungsmesser oder der Klebmittelschicht scheint nicht ' vorteilhaft zu sein, da eine dünnere Konstruktion eine Tendenz besitzt, Hystereseeffelcte in das Ausgangs signal einzuführen. Typische Fluiden, deren Drucke mit Hilfe des Druckwandlers gemessen werden können, sind luft, Verbrennungsgase, Kerosin, öl und Säuren. Wie erwähnt, kann es nach längerem Betrieb bei chemischen Verfahren erforderlich werden, die Druckkammer der Ausführungsform gemäß den Pig. 2 und j5 zu reinigen. Die Bezugsdruckkammer kann typischerweise entweder evakuiert oder mit einem Trockengas gefüllt sein, um einen Bezugsdruck zu liefern.

Selbstverständlich kann die Erfindung in zahlreichen anderen Ausführungsformen verwirklicht werden, oline daß von ihrem Grundgedanken oder ihren wesentlichen Eigenschaften abgewichen wird. Die vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen sollen daher in jeder Hinsicht nur als erläuternd und keinesfalls als die Erfindung einschränkend angesehen werden, vielmehr soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs·liegenden Änderungen, Abwandlungen und Äquivalente mit umfassen.

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Claims (18)

1. Pat entansprüche

   Druckwandler zur Messung von Fluidumdrucken, gekennzeichnet durch eine Membran mit einem einstückig mit ihr ausgebildeten, einen Kraftmeßhebel bildenden verdickten Abschnitt und mehrere mit dem Hebel verbundene Belastungs- bzw. Spannungsmesser zur Messung der auf den Hebel einwirkenden mechanischen Spannungen.
2. 2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel bis auf mehrere in ihn ausgebildete Nuten praktisch gleichförmigen Querschnitt besitzt und daß die Spannungsmesser an diesen Nuten am Hebel angebracht sind.
3. 3· Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang der Membran mit einem Ring verbunden ist, dessen Innendurchmesser an der einen Seite der Membran größer ist als an der anderen Seite der Membran.
4. 4. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen den beiden Durchmessern etwa 1i1,O7 bis 1i1,1O beträgt.
5. 5. Druckwandler zur Messung von 3?luidumdrucken, gekennzeichnet durch eine Membran mit einem einstückig mit ihr ausgebildeten, verdickten, rechteckigen Querschnitt besitzenden Abschnitt, der einen Kraftmeßhebel bildet, welcher an beiden Enden und in seiner Mitte mit je einer Kraft konzentrierenden Nut versehen ist, und mindestens

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   einen am Hebel an Jeder Hut angebrachten Belaatungs- bzw. Spannungsmesser zur Messung von Eiegebeanspruchungen im Hebel,
6. 6. Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmesser an der von den Nuten abgewandten Seite des Hebels angebracht sind.
7. 7· Druckwandler nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß an der mittleren Hut zwei Spannungsmesser vorgesehen sind und daß die Spannungsmesser die vier Arme einer Meßbrücke bilden.
8. 8. Druckwandler nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, daß ein einstückig mit der Membran ausgebildeter Tragring vorgesehen ist. dessen Innendurchmesser an der einen Seite der Membran größer ist als an der/anderer Seite.
9. 9. Druckwandler nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, daß die Membran kreisförmig ist, daß der Hebel auf einem Durchmesser der Membran zentriert ist und sich praktisch vollständig quer über die Membran erstreckt und daß die mittlere Nut in der Mitte des Hebels ausgebildet ist.
10. 10. Druckwandler zur Messung von Fluidumdrucken, gekennzeichnet durch eine gekapselte Bezugsdruckkammer, eine einen Abschnitt der Druckkammer abschließende Membran, die einen einstückig mit ihr ausgebildeten, verdickten Abschnitt aufweist, welcher einen praktisch rechteckigen Querschnitt besitzenden Kraftmeßhebel bildet, meh-

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    re im Hebel ausgebildete Nuten, welche geschwächte, Kräfte konzentrierende Bereiche im Hebel festlegen, und mindestens einen an jedem der geschwächten Bereiche des Hebels befestigten Belastungs- bzw. Spannungsmesser zur Kessung der Biegebeanspruchungen im Hebel„
11. 11· Druckwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Druckkammer abgewandte Seite der Membran unmittelbar gegenüber dem Atmosphärendruck offen ist.
12. 12. Druckwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er eine an der von der Besugsdruckkammer abgewandten Seite der Membran angeordnete Druckfluidumkammer aufweist und daß ein die Membran umschließendes Gehäuse sowie ein dünner rohrförmiger Hals vorgesehen sind, welcher die Membran und die Druckfluidumkammer im Abstand vom Gehäuse hält.
13. 13· Druckwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckfluidumkamner ein deren Volumen verkleinernder Püllblock angeordnet ist.
14. H. Druckwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reinigungsrohr vorgesehen ist, das mit Abstand vom rohrförmigen Hals durch diesen hindurchgeführt ist und mit der Druckfluidumkammer kommuniziert, und daß dieses Reinigungsrohr ausbaubar im Füllblock befestigt ist.
15. 15. Druckwandler zur Messung von Fluidumdrucken, gekennzeichnet durch eine gekapselte Bezugsdruckkammer, eine einen Abschnitt der Bezugsdruckkammer abschließende

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    kreisförmige Membran, einen einstückig mit dem Umfang der Membran ausgebildeten Tragring, dessen Innendurchmesser an der der Besugsdruckkammer zugewandten Seite der Membran kleiner ist als an der anderen Seite der Membran, wobei die Membran einen verdickten Abschnitt aufweist, der einen rechteckigen Querschnitt besitzenden, einstückigen Kraftmeßhebel bildet, welcher sich längs eines Durchmessers der Membran praktisch quer über diese hinweg erstreckt und welcher an federn Ende sowie in seiner Mitte in der von der Bezugsdruckkammer abgewandten Seite mit querverlaufenden Hüten versehen ist, die geschwächte, Kräfte konzentrierende Bereiche im Hebel festlegen, und mindestens einen in der Bezugsdruckkammer befindlichen, an jedem der geschwächten Bereiche des Hebels angebrachten Spannungsmesser zur Messung der Biegebeanspruchungen im Hebel.
16. 16. Druckwandler nach Anspruch 15_f dadurch gekennzeichnet, daß in federn Ende des Hebele an den End-Nuten jeweils zwei halbkreisförmige Aussparungen ausgebildet sind·
17. 17. Druckwandler nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß mit dem mittleren geschwächten Bereich des Hebels zwei Belastungs- bzw. Spannungsmesser verbunden sind, welche einander diagonal gegenüberliegende Arme einer Heßbrücke bilden, während die an den geschwächten End-Bereichen des Hebels angebrachten Spannungsmesser die anderen Arme der Meßbrücke bilden, und daß mit dem Ausgang der Meßbrücke ein elektrisches Meßgerät zur Anzeige des auf die von der Bezugsdruckkammer abgewandte Seite der Membran einwirkenden Drucks gekoppelt ist.

    - 21 009 809/126 5
18. 18. Druckwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß or aus rostfreiem Stahl besteht und somit gegenüber korrodierenden Pluiden beständig ist.

    ORIGINAL SNSPt=CTSiD 009809/1265 —

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