DE2825437C3 - Druckmeßvorrichtung - Google Patents
DruckmeßvorrichtungInfo
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Description
Ji Die Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung
von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Eine derartige Druckmeßvorrichtung ist aus der DE-OS 2164896 bekannt. Das biegsame Meßele-
ment ist bei dieser bekannten Lösung als Meßmembran ausgebildet, wobei in dem Gehäuse beidseitig
gegenüber der Meßmembran zwei Induktionsspulen elektrisch isoliert in einem solchen Abstand angebracht
sind, daß eine induktive Kopplung erzielt wird.
Bei der Auslenkung der Meßmembran aufgrund von Änderungen des einwirkenden Drucks ändert sich die
induktive Kopplung mit der Folge einer meßbaren Impedanzänderung der Induktionsspulen.
Zur Befestigung; der Meßmembran im Gehäuse
->i bzw. zwischen den beiden Gehäuseteilen ist in der
DE-OS 1648593 vorgeschlagen, diese mit ihrem Rand mittels eines Federelements, z. B. einer Tellerfeder
gegen das Gehäuse zu drücken. Dadurch soll ein Nachrutschen der Membran an der Einspannstelle
ν, bei Auslenkung derselben verhindert werden. Das
Federelement ist jedoch nicht geeignet und auch nicht dazu bestimmt, auf die Membran radial nach außen
gerichtete Zugkräfte auszuüben. Dadurch kann bei der bekannten Lösung auch keine gleichmäßige Ein-
bo spannung der Membran längs ihres Umfanges in radialer
Richtung erzielt werden. Ferner besteht bei der bekannten Lösung die Gefahr, daß bei höheren Drükken
Meßfehler durch Verformung des Federelements auftreten.
Aus der Literaturstelle »Journal of Scientific Instruments 1962, Band 39, Seite 241« ist es bekannt,
eine Membranfolie über einen Rohrstutzen od. dgl. mit einer Ringnut zu stülpen und mittels eines in der
Ringnut angeordneten Gummibandes über den Stutzen gespannt zu halten, um dann an den Stutzen ein
Rohr od. dgl. anzuschließen, derart, daß die Membranfolie zwischen Stutzen und Rohr geklemmt ist.
Diese Konstruktion ist hinsichtlich ihrer Montage relativ aufwendig und außerdem nur für sehr dünne
und flexible Membranen geeignet. Eine gleichmäßige Einspannung längs des Membranumfanges ist ebenfalls
nicht gewährleistet.
Schließlich ist es noch bekannt, zur Halterung der Meßmembran am Gehäuse einen im wesentlichen
steifen Metallring zu benutzen. Die Umfangsränder der Membran werden dabei durch Schweißen mit dem
Metallring verbunden. Eei dieser Konstruktion kann sich jedoch die ursprünglich flache Membran werfen,
oder die auf sie einwirkende Zugspannung kann sich infolge der beim Schweißen auftretenden Wärmeausdehnung,
ungleichmäßig verteilen. Diese Mängel müssen zur Gewährleistung einer einwandfreien und zuverlässigen
Arbeitsweise der Membran ausgeschaltet werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung 'iiner verbesserten
Druck- oder Differenzdruckmeßvorrichtung, bei weicher die Meßmembran einer gleichmäßigen
Einspannung unterworfen ist. Es soll eine wirtschaftlich und kompakt gebaute Vorrichtung geschaffen
werden, die sich einfach handhaben läßt und deren Arbeitsweise über einen langen Zeitraum hinweg
stabil bleibt.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die Meßmembran besteht aus einem durch Ausscheidungs- bzw. Seigerungshärtung härtbaren Metall,
das bei der Wärmebehandlung kontraktiert und einen hohen Elastizitätsgrad besitzt. Die Meßmembran
wird dabei an den Gehäuseteilen befestigt und dann einer Alterungsbehandlung unterworfen, wobei
die gesamte Membran nach dieser Behandlung einer gleichmäßigen Zugspannung ausgesetzt ist. Wahlweise
kann zur Vermeidung der Notwendigkeit für die Gehäuseteile und die Befestigungsschrauben ein
Spannring aus einem durch Seigerungshärtung härtbaren Material am Außenumfang der Meßvorrichtung
befestigt und dann einer Alterungs- bzw. Wärmebehandlung unterworfen werden, unter welcher dieser
Ring kontraktiert.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik
anhand der Zeichnung nähert erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer bisherigen Differenzdruckmeßvorrichtung,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils einer Meß vorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 3 A eine graphische Darstellung der zeitabhängigen Wärmeausdehnung des seigerungshärtbaren
Metalls,
Fig. 3B eine graphische Darstellung der zeitabhängigen
Temperaturänderung des Metalls.
Fig. 4 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 3.
Die in Fig. 1 dargestellte, bisherige Differenzdruckmeßvorrichtung
umfaßt einen in einem im wesentlichen zylindrischen Rahmen vorgesehenen Differenzdruck-Meßte;l
1 sowie einen ersten Gehäuseteil 2 und einen zweiten Gehäuseteil 3, die mit Isolierkörpern 4bzw. 5 aus Glas oder Keramik gefüllt
sind. Die axialen Innenflächen der Isolierkörper sind dabei sphärisch konkav ausgebildet und mit einer
daran angebrachten, ais kondensatorplatte wirkenden
Metallfolie 6 bzw. 7 versehen. Die beiden Gehäu-
·> seteile 2 und 3 sind dabei symmetrisch ausgebildet,
so daß die Metallfolien einander zugewandt sind.
Die Verbindungsabschnitte dieser Gehäuseteile 2 und 3 sind mit Ringrippen 9 und 91 sowie Ringnuten
10 und 101 von keilförmigem Querschnitt versehen.
ίο An der Innenseite dieser Verbindungsabschnitte der
Gehäuseteile sind konische Ausnehmungen 110 und 111 mit einer Höhe d ausgebildet. Eine zwischen die
Gehäuseteile 2 und 3 eingesetzte Meßmembran 8 ist durch Schweißen an den Rippenteilen 9 bzw. 91 befestigt.
Dabei wird eine erste Meßkammer 11 durch den Zwischenraum zwischen der Kalotten- bzw. Wölbungsfläche
des ersten Isolierkörpers 4 und der Meßmembran 8 gebildet, während eine zweite Meßmembran
12 durch den Zwischenraum zwischen der Kalotten- bzw. Wölbungsfläche des zweiten Isolierkörpers
5 und der Meßmembran 8 ^bildet wird. Der Differenzdruck-Meßteil 1 wird von zwei Gehäuseteilen
13 und 14 getragen, die mit Hilfe von Verbindungsschrauben 15 fest miteinander verbunder sind.
Zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem ersten Isolierkörper sowie zwischen dem zweiten Gehäuseteil
und dem zweiten Isolierkörper werden dabei zwei Druckkammern 18 bzw. 19 festgelegt. Ein Eingangsdruck wird an die eiste Meßkammer 11 über eine
Bohrung 16 im erster Gehäuseteil, die erste Druckkammer 18 sowie eine im ersten Isolierkörper 4 vorgesehene
Bohrung 20 angelegt, während ein zweiter Eingangsdruck bzw. ein Bezugsdruck an die zweite
Meßkammer 12 über eine Bohrung 17 im zweiten Ge-
r, häuseteil 14, die zweite Druckkammer 19 und eine Bohrung 21 im zweiten Isolierkörper 5 angelegt wird.
Wenn beim Verspannen der beiden Gehäuseteile 13 und 14 mittels der Schraubbolzen 15 eine Druckkraft
P auf die beiden Gehäuseteile 2 und 3 ausgeübt wird, werden die Umfangsränder 9 und 91 der Gehäuseteile
wegen der sich verjüngenden Querschnittsfoim dieser Ränder unter der Druckkraft P radial
nach außen gedrängt, so daß sich die Höhe d verkleinert, der Durchmesser des Rippenteils at*:r vergrößert.
Infolgedessen wird auf die Meßmembran eine radial nach außen wirkende Zugspannung ausgeübt,
durch weiche die ungleichmäßige oder lokale Zugbelastung der Membran aufgehoben wird.
Bei dieser Konstruktion sind die Tragplatten oder
in Gehäuseteile 13 und 14 sowie eine Anzahl von um
deren Umfang herum angeordneten Schraubbolzen 15 erforderlich, so daß sich keine kompakte Vorrichtung
erreichen läßt. Außerdem beträgt der thermische brw. Wärmedehnungskoeffizient der Gehäuseteile 2
und 3 aus rostfreiem Stahl 17 x 10" bis 18 x 10 \ während der thermische Ausdehnungskoeffizient der
Tragplatten 13 und 14 sowie der Schraubbolzen 15 aas Stahl 1Ox 10 "bis 11 x 10 " beträgt, so daß sich
die Verspannkraft bei Temperaturänderungen infolge des vergleichsweise großen Unterschieds in den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verändern und eine Verschlechterung der Meßeigenschaften der
Membran herbeiführen kann.
Es ist auch eine andere Möglichkeit zum Zusammensetzen der Druckmeßvorrichtung bekannt, bei
welcher die Meßmembran unter Einhaltung einer vorbestimmten Zugspannung mit den Außenumfangsflächen
der Gehäuseteile 2 und_ä-verschwe_ißt
wird. Dieses Vorgehen ist jedoch insofern nachteilig, als sich die Membran beim Schweißen verformen
kann, so daß es ziemlich schwierig wird, eine Meßmembran zu erhalten, die von einer stabilen und
gleichmäßigen Zugspannung beaufschlagt wird.
Im folgenden ist die Erfindung zunächst anhand von Fig. 2 beschrieben, wobei die der bisherigen Vorrichtung
nach Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind.
Ein Differential- bzw. Differenzdruck-Meßteil 22 umfaßt zwei im wesentlichen zylindrische Gehäuseteile
24 und 25, die jeweils einen Hohlraum aufweisen, welche mit Isoliermaterialien bzw. -körpern 4 bzw. 5
gefüllt sind, deren Innenflächen sphärisch konkav ausgebildet und mit als Kondensatorplatten wirkenden
Metallfolien 6 bzw. 7 belegt sind. Zwischen die Gehäuseteile 24 und 25 ist eine Meßmembran 23 eingespannt,
wobei der Umfangsrand der Membran 23 an Ηρπ I TmfanocränHprn tit*r i~rphäncptpiip 34 %mA 3C
Länge L.
Erfindungsgemäß wird also diese Kontraktion aus genutzt, um die Membran im Druckinsßteil 22 untei
Zugspannung zu setzen. Genauer gesagt: das seige rungshärtbare Metall wird zunächst an den beider
Gehäuseteilen 24 und 25 angebracht und dann einei Alterungsbehandlung unterworfen, wobei das Metal
(der Membran) auf vorstehend beschriebene Weis« aufgrund seiner Kontraktion einer Zugspannung unterworfen
wird, weil der Umfangsrand des Werkstück; an den Gehäuseteilen 24 und 25 befestigt ist. Au
diese Weise werden ungünstige vom Schweißen her rührende lokale Spannungen aufgehoben oder besei
tigt. Selbstverständlich können dieselbe Wirkung unc dieselbe Funktion dann erreicht werden, wenn die
Membran zunächst durch Hartlöten oder Verkleber an den Gehäuseteilen befestigt wird.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Er
finrlnno rlaropctpllt rlprpn rlpr Aiiefiihriinoefnrm or
angeschweißt ist.
Zweckmäßig wird als Werkstoff für die Meßmembran 23 ein durch Ausscheidungs- bzw. Seigerungshärtung
härtbares Metall mit hoher Elastizität verwendet, nämlich beispielsweise
a) ein Produkt aus 36 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Cr,
1-2 Gew.-%Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-%
Si, 0,8 Gew.-% C und Fe = Rest;
b) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni,
12Gew.-% Cr, 4Gew.-% Mo, 4 Gew.-% W,
1 Gew.-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be
und Fe = Rest;
c) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni,
20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2 Gew.-% Mn,
0,04Gew.-% Be, 0,15Gew.-% C und
Fe = Rest;
d) ein Produkt aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.-% Cr,
0,5Gew.-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4Gew.-%
Ti, 0,4Gew.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-% C und Fe = Rest;
e) ein Produkt aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni,
20 Gew.-%Cr,7 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Mn,
0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be. 0,15 Gew.-vc
Cu und Fc = Rest.
Bei seigerungshärtbaren Metallen mit hoher Elastizität,
wie sie vorstehend angegeben sind, seigern zwischenmetallische Verbindungen in Kristallform unter
Verkleinerung des Gesamtvolumens aus, wenn das Metall einer Alterungsbehandlung bei hohen Temperaturen
im Bereich von etwa 500-600° C während einer Zeitspanne von einer Stunde unterworfen
wird.
Das auf beschriebene Weise alterungsbehandelte, seigerungshärtbare Metall wird für die Meßmembran
23 benutzt Gemäß Fig. 3 B wird dieses Metall, ausgebend von Raumtemperatur (20° C) auf eine Temperatur
von 600° C erwärmt. Diese hohe Temperatur wird während einer Zeitspanne von etwa einer Stunde
(f0) aufrechterhalten und dann auf Raumtemperatur verringert. Dabei erfährt ein Metallstück mit einer uri
Länge I1 eine thermische Ausdehnung
während der betreffenden Zeitspanne tQ. Beim Abkühlen
des Metallstäcks auf Raumtemperatur verringert sich seine Länge sodann auf eine Länge I2, wie
durch das Längendifferential Δ1 angedeutet, ist die Länge I2 kleiner als die Länge /,. Die versuchsweise
ermittelte Größe Δ1 beträgt etwa 0,1-0.2% der
maß Fig. 2 entsprechende Teile mit denselben Be
zugsziffern wie dort bezeichnet sind. Die Differenz druckvorrichtung 22 umfaßt zwei Gehäuseteile 24 unc
25, die Isolierkörper 4 bzw. 5 aufnehmen. Der Um fangsrand einer Meßmembran 23 ist an den Gehäuse
teilen 24 und 25 angeschweißt. Die Meßmembrar kann dabei aus einem seigerungshärtbaren Materia
oder einem anderen Werkstoff bestehen. Die innerer Rinfflächen der beiden Gehäuseteile schließen zwischen
sich den Umfangsrand der Meßmembrand 22 ein. Die Außenumgangsflächen der Gehäuseteile sine
fest mit einem aus einem der genannten, seigerungshärtbaren Metalle bestehenden Befestigungs- bzw
Spannring 150 verspannt. Nach dem Anbringen ar den Außenumfangsflächen der Gehäuseteile wird dei
Spannring 150 einer Wärme- oder Alterungsbehandlung unterworfen.
Gemäß den Fig. 4 und 5 wird der Spannring 15C aus einem seigerungshärtbaren Metall an den Außenumfangsflächen
der Gehäuseteile 24 und 25 ange schweißt, worauf die zusammengesetzte Vorrichtunj
einer Wärmebehandlung unterworfen wird (vgl Fig. 3 A und 3 B). Der Spannring besitzt vorzugsweise
die Foiin eines Ruiuauadiitiüs oüci eine w-iüiniigc
Gestalt mit einem Spalt ISOA. Wahlweise können je
doch mehrere Teilringe in Axialrichtung des Gehäuse« um dieses herum angeordnet werden. Wenn beispielsweise
mehrere Spalte 150 A vorgesehen werden, wire eine Teilung des Spannringes 150 in eine Anzahl vor
Ringsegmenten erreicht, die sich zum Verspanner beider Gehäuseteile in Axialrichtung erstrecken.
Zusammenfassend wird mit der Erfindung *dso eine
kompakt gebaute Druckmeßvorrichtung geschaffen bei welcher die auf das Meßelement einwirkende
Zugspannung praktisch gleichmäßig und von thermischen Änderungen frei ist Entweder das Meßelemem
selbst oder ein die Vorrichtung umschließende! Spannelement oder beide Elemente können aus einen
seigerungshärtbaren Metall besteben, das bei einei Wärmebehandlung eine Kontraktion erfährt Bei dei
thermischen Kontraktion des Meßelements wird dieses unter eine gleichmäßig radiale Zugspannung gesetzt
Wenn das Spannelement eine Kontraktion erfährt, wird auf die Vorrichtung eine gleichmäßige
Spannkraft ausgeübt durch welche die Membrar ohne die Notwendigkeit für Spannschrauben verspannt
werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (16)
1. Druckmeßvorrichtung, bei welcher ein biegsames Meßelement zwischen zwei Gehäuseteilen
angeordnet ist und die Größe des Ausschlags dieses Meßelements die Größe eines auf dieses einwirkenden
Drucks angibt, und bei welcher weiterhin ein den Umfang der Gehäuseteile umschließendes
Spannelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Meßelement
(23) und/oder das Spannelement (150) aus einem durch eine Wärmebehandlung kontraktierbaren,
ausscheidungs- bzw. seigerungshärtbaren Metall hergestellt ist und daß das betreffende Element
infolge seiner anfänglichen Befestigung an den Gehäuseteilen (24,25) und er anschließenden
Wärmebehandlung unter eine mechanische Spannung gesetzt ist.
2. Vorrditung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spannelement aus dem seigerungshärtbaren Material besteht und daß die mechanische Spannung eine gleichmäßige radiale
Zugspannung ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement aus dem seigerungshärtbaren
Material Gesteht und daß die mechanische Spannung eine die Gehäuseteile beaufschlagende
Druckspannung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement im wesentlichen
zylinciiisch ist.
5. Vorrichtung na~h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spannelement einen axialen Spalt aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement eine Anzahl
von um den Umfang der Gehäuseteile herum auf Abstände verteilten Platten aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
aus 36 Gew-% Ni, 12 Gew-% Cr, 1-2 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-% Si, 0,8 Gew.·
% C und im Rest aus Fe besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
aus 35 Gew.-% Ni, 12 Gew.-% Cr, 1-2 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% W, 1-2 Gew.-% Si, 0,8 Gew.-%
C und im Rest aus Fe besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material ai<s 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni, 12Gew.-% Cr, 4Gew.-% Mo, 4Gew.-% W,
1 Gew-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be und im Rest aus Fe besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 26 Gew.-% Ni, 12 Gew-% Cr, 4Gew.-% Mo, 4Gew.-% W,
1 Gew-% Ti, 1,4 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Be and im Rest aus Fe besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni,
20Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2Gew.-% Mn, 0,04 Gew.-%Be,0,15 Gew.-%Cundim Rest aus
Fe besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge-
kennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni,
20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 2 Gew.-% Mn,
0,04 Gew.-%Be,0,15 Gew.-%Cundim Rest aus Fe besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.-% Cr, 0,5 Gew.-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4 Gev..-% Ti,
0,4 Gew.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-%
C und im Rest aus Fe besteht.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material aus 42 Gew.-% Ni, 5,3 Gew.-% Cr, 0,5 Gew.-% Mn, 0,3 Gew.-% Si, 2,4 Gew.-% Ti,
0,4 Gew.-% Al, 0,05 Gew.-% Cu, 0,02 Gew.-%
C und im Rest aus Fe besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20 Gew.-% Cr. 7 Gew.-% Mo. 1.5 Gew.-% Mn.
0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% Cu und im Rest aus Fe besteht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das seigerungshärtbare Metall
bzw. Material aus 40 Gew.-% Co, 15 Gew.-% Ni, 20 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% Mo, 1,5 Gew.-% Mn,
0,45 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% Be, 0,15 Gew.-% Cu und im Rest aus Fe besteht.
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