Vorrichtung zum Messen von Fluidumsdrücken
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Fluidumsdrücken mittels eines eingespannten Drahtes, der unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung in ungedämpfte Schwingungen versetzt werden kann, wobei seine jeweilige Schwingungsfrequenz ein Mass für den Augenblickswert des Druckes darstellt. Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass als druckempfindliches Element eine aus mehreren, flach aufeinanderliegenden Scheiben zusammengesetzte Anordnung vorgesehen ist, welche durch flexible Wände begrenzte Flui- dumkammern aufweist, die sich unter Druckeinwirkung deformieren und diese Deformation so auf den Draht übertragen wird, dass sich dessen Spannung und damit seine Eigenfrequenz verändern.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 den mechanischen Teil der Vorrichtung im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 und
Fig. 3 ein Schaltschema des elektrischen Teiles der Vorrichtung.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile in den verschiedenen Figuren.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 besitzt die Vorrichtung ein zylindrisches, an einer Seite offenes Gehäuse 7, einen sich in Längsrichtung des Gehäuses 7 erstreckenden Vibrationsdraht 8 und Endanordnungen 9 und 10, welche den Draht 8 in gespanntem Zustand zwischen sich festhalten. Das Gehäuse 7 trägt einen im Querschnitt C-förmigen Dauermagneten 11, dessen Pole 12 und 13 an den gegenüberliegenden Seiten des Drahtes 8 parallel zu letzterem verlaufen, so dass die magnetischen Kraftlinien senkrecht zum Draht 8 verlaufen.
Die zum Festhalten des Drahtes 8 am einen Ende desselben dienende Endanordnung 9 besteht aus einem am einen Ende des Gehäuses 7 befestigten Ring 14, einer ringförmigen inneren Trägerscheibe 15 mit flexiblem Ringteil 16, einem sich durch eine mittlere Öffnung der Scheibe 15 erstreckenden und an ihn befestigten Stift 17, an welchem das eine Ende des Drahtes 8 befestigt ist, einer äusseren ringförmigen Scheibe 18 mit einer mittleren Öffnung, durch welche sich der Stift 17 frei erstreckt, wobei die Scheibe 18 gegen die Aussenränder der Scheibe 15 anliegt und mit einem nachgiebigen Ringteil 19 versehen ist, einem Isolationsüberzug 20 rings um die Umfänge und Seiten der Scheiben 15, 18 einer Hülse 21, die so am Ring 14 befestigt ist, dass sie die Scheibe 15 und 18 mit Bezug auf den Ring 14 festhält, einer sich durch die Scheiben 15 und 18 erstreckende Einstellschraube 22,
und eine an der Schraube 22 angeordnete und gegen die Scheibe 18 anliegende Mutter 23.
Die Einstellschraube 22 steht in Schraubverbindung mit der Scheibe 15 und ragt mit Spiel durch die Scheibe 18 hindurch. Im Vergleich zu der Mutter 23 weist die Scheibe 15 eine unterschiedliche Gewindesteigung auf, so dass sich bei einer Drehung der Schraube 22 die beiden Scheiben entweder gegeneinander oder auseinander bewegen.
Die Endanordnung 10 besteht aus einer Kalibrierungsscheibe 24, einer Dichtungsscheibe 25, einer Druckscheibe 26 und einem runden, eine Dichtungsscheibe darstellenden Endteil, die alle mit ihren flachen Seiten aufeinanderliegen. Der Endteil 27 ist mit einer Einsenkung 28 zur Aufnahme des einen Endes des Gehäuses 7, wie dargestellt, versehen.
Der Endteil 27 besitzt eine Nabe 29 und einen dünnwandigen Ringteil 30. Die Dichtungsscheibe 25 weist eine ganz ähnliche Ausbildung auf, mit einer Nabe 31 und einem dünnwandigen Ringteil 32. Fer ner ist die Dichtungsscheibe 25 an der der Druckscheibe 26 benachbarten Seite mit einer ringförmigen Aussparung 33 versehen.
Die Druckscheibe 26 ist an ihren beiden Seitenflächen mit ringförmigen Aussparungen 34 und 35 versehen, welche durch die Dichtungsscheibe bzw. den Endteil 27 jeweils verschlossene Hohlräume bilden. Die Druckscheibe 26 besitzt einen dünnwandigen Ringteil 36.
Die Kalibrierungsscheibe 24 besitzt eine Nabe 37 und einen dünnwandigen Ringteil 38.
Ein Stift 39 erstreckt sich durch die koaxialen mittleren Öffnungen in der Kalibrierungsscheibe 24, der Dichtungsscheibe 25, der Druckscheibe 26 und im Endteil 27, und hält an seinem andern Ende den Draht 8 fest. Der Stift 39 ist in den Naben 37 und 29 befestigt, wobei die Nabe 31 und der innere Teil der Druckscheibe 26 zwischen den Naben 37 und 29 gehalten sind.
Es ist somit ersichtlich, dass das Gehäuse 7 und die mit demselben verbundenen Anordnungen 9 und 10 eine Art Gestell zum Festhalten des Drahtes 8 in straffem Zustand bilden.
Ein Fluidumdurchlass 40 erstreckt sich durch die Kalihrierungsscheibe 24 und die Dichtungsscheibe 25 zu den Hohlräumen 33, 34, welche, wie gezeigt, miteinander verbunden sind. Ein weiterer FIu idum durch- lass 41 erstreckt sich durch die Scheiben 24, 25 und 26 sowie durch den Endteil 27 zum Hohlraum 35 in der Scheibe 26.
Gemäss der Fig. 3 ist der Draht 8 an eine elektrische Einrichtung angeschlossen, die einen Rückkopplungsverstärker 42 aufweist. Der Verstärker 42 ist mit einer elektrischen Brückenschaltung 43 verbunden, dessen Widerstände 44, 45 am einen Ende an eine Leitung 46 angeschlossen sind. Ein Referenzdraht 47 ist am einen Ende mit dem Widerstand 44 verbunden, während die anderen Enden der Drähte 47 und 8 geerdet sind.
Eine Verstärkerröhre 48 mit einer Kathode 49, einem Gitter 50 und einer Anode 51 wird durch die Brückenschaltung 43 gesteuert. Die Kathode 49 ist über einen Kathodenwiderstand 52 mit einer Erdungsleitung 53 verbunden. Ein Transformator 54 koppelt das Gitter 50 mit der Brücke 43, und besteht aus einer Primärwicklung 55, welche einenends mit der Verbindungsstelle des Drahtes 47 mit dem Widerstand 44 und andernends mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Vibrationsdraht 8 und dem Widerstand 45 verbunden ist. Der Transformator besitzt eine Sekundärwicklung 56, deren eines Ende mit dem Gitter 50 verbunden ist, während deren anderes Ende über einen Kondensator 57 an die Erdungsleitung 53 angeschlossen ist.
Eine positive Anodenspannung wird von einer Batterie 58 oder einer anderen Gleichstromquelle geliefert, wobei diese Batterie zwischen die Erdungsleitung 53 und eine Leitung 59 angelegt ist. Die Anode 51 ist über einen Widerstand 60 mit der Leitung 59 und damit mit der positiven Klemme der Batterie 58 verbunden.
Eine zweite Verstärkerröhre (oder Röhrenteil) 61, die eine Kathode 62, ein Gitter 63 und eine Anode 64 aufweist, wird von der Ausgangsspannung der Röhre 48 über einen Kopplungskondensator 65 gesteuert. Die Kathode 62 ist über einen Kathodenwiderstand 66 mit der Erdleitung 53 verbunden, und das Gitter ist über einen Widerstand 67 mit der Leitung 68 verbunden. Ein Widerstand 69 liegt in der Leitung 68 und verbindet das eine Ende der Sekundärwicklung 56 des Transformators 54 an ihrem Verbindungspunkt mit dem Kondensator 57 mit dem übrigen Teil der Leitung 68. Die Anode 64 ist über einen Widerstand 70 mit der Leitung 59 und dem positiven Pol der Batterie 58 verbunden. Ferner ist die Anode 64 an die Leitung 46 angeschlossen, wobei sich ein Kondensator 71 sowie ein Widerstand 72 in der Leitung 46 zwischen der Brückenschaltung 43 und der Anode 64 befinden.
Eine dritte Verstärkerröhre (oder RöhErenteil) 73 wird von der Röhre 61 gesteuert und weist eine Kathode 74, ein Gitter 75 und eine Anode 76 auf. Die Kathode 74 ist durch einen Kathodenwiderstand 77 mit der Erdleitung 53 verbunden. Das Gitter 75 ist durch einen Kopplungskondensator 78 mit der Anode 64 verbunden und ferner über einen Widerstand 79 an die Erdleitung 53 angeschlossen. Ein Transformator 80 mit einer Primärwicklung 81 und einer Sekundärwicklung 82 liegt im Ausgangskreis der Röhre 73. Über einen Kondensator 84 ist ein weiterer Ausgangskreis mit den Ausgangsklemmen 83, 85 gekoppelt.
Eine automatische Verstärkungsregelung ist für die Röhren 48 und 61 vorgesehen und enthält eine Gleichlrichterbrücke 86, deren Zweige durch die Kri stalldioden 87, 88, 89 und 90 gebildet sind. Die Sekundärwicklung 82 des Transformators 80 ist an die Verbindungsstelle der Dioden 87 und 89 sowie an die Verbindungsstelle der Dioden 88 und 90 angelegt.
Der Verbindungspunkt der Dioden 87 und 88 ist mit der Erdleitung 53 verbunden, während der Verbindungspunkt der Dioden 89 und 90 an einen Widerstand 91, einen Kondensator 92 und eine Leitung 68 angeschlossen ist. Der Widerstand 91 und der Kondensator 92 sind mit der Erdleitung 53 verbunden.
Der Verbindungspunkt der Dioden 89 und 90 ist durch die Leitung 68 auch mit einem Widerstand 93 und einem zu den Leitungen 68, 53 parallel geschalteten Kondensator 94 verbunden.
Der Draht 47 weist vorzugsweise denselben Widerstand und im wesentlichen die gleiche Temperatur wie der Draht 8 auf. Zu diesem Zwecke kann der Draht 47 im gleichen Gehäuse wie der Vibrationsdraht 8, jedoch ausserhalb des Magnetfeldes des Magnetes 11 untergebracht sein. Die Kristalldioden 87, 88, 89 und 90 sind so gepolt, dass die Verbindungsstelle 89, 90 negativ gegenüber der Verbindungsstelle 87, 88 ist.
Ein Frequenzmesser 95 ist über einen Transformator 96 an die Klemmen 83, 85 angeschlossen, wobei dieser Transformator eine Eingangswicklung 97 und eine Ausgangswicklung 98 aufweist.
Beim Betrieb liegt der Draht 8 im Magnetfeld zwischen den Polen 12 und 13, so dass bei Vibration mit Eigenfrequenz eine Wechselspannung von der gleichen Frequenz erzeugt wird. Die mechanische Spannung im Draht 8 wird durch unterschiedliche Fluidumsdrücke verändert, welche in noch zu beschreibender Weise auf die Endanordnung 10 ausgeübt werden, und die Vibrationsfrequenz des Drahtes 8 ändert sich entsprechend.
Eine ungedämpfte Vibration des Drahtes 8 wird erzielt, indem dieser Draht als Impedanzelement in einem selbsterregenden elektrischen Stromkreis eingeschaltet wird, welcher die Brücke 43 und den Verstärker 42 enthält.
Die Brücke 43 stellt einen Filter dar, welcher in einem Rückkopplungskreis des Verstärkers 42 verwendet wird, um diesen Verstärker als Oszillator benutzen zu können. Die Brücke 43, bei welcher einer der Arme den Vibrationsdraht 8 enthält, stellt im vibrationsfreien Zustand des Drahtes 8 eine abgeglichene Wheatstonebrücke dar. Die oberen Widerstände 44, 45, weisen gleichen Wert auf, während der Draht 47 den gleichen elektrischen Widerstand wie der Vibrationsdraht 8 besitzt.
Da die Brücke, solange sich der Draht 8 nicht in Bewegung befindet, abgeglichen ist, fliesst kein Strom zum Transformator 54, wenn der Draht 8 stillsteht. Vibriert jedoch der Draht 8 im Magnetfeld zwischen den Polen 12 und 13 dann erzeugt er darin in bekannter Weise eine gegenelektromotorische Kraft, somit eine effektive dynamische Impedanz, die grösser als ihre statische Impedanz ist, so dass die Brücke 43 nicht mehr abgeglichen ist, so dass ein Strom von dieser Frequenz durch die Transformatorprimärwicklung 55 fliesst, über die Sekundärwicklung 56 die Röhre 48 steuert und in dieser verstärkt wird. Die Ausgangsspannung der Röhre 48 wird in der Röhre 61 weiter verstärkt.
Ein Teil der Ausgangsenergle der Röhre 61 wird über den Kondensator 71 und den Widerstand 72 rückgekoppelt, um einen Wechselstrom zu erzeugen, der über die Brücke 43 fliesst.
Dieser Wechselstrom besitzt die gleiche Frequenz wie der Draht 8, welcher dadurch dauernd in Vibration gehalten wird. Es ist wesentlich, dass die Sekundärwicklung 56 mit dem Gitter 50 der Röhre 48 phasenrichtig verbunden ist, um eine dauernde Oszillation des Drahtes 8 zu erzeugen.
Die Ausgangsenergie an der Anode 64 der Röhre 61 wird in der Röhre 73 verstärkt, wobei an den Ausgangsklemmen 83 und 85 ein Wechselstrom von gleicher Frequenz wie diejenige des Drahtes 8 abgreifbar ist.
Zur Vermeidung von bei unzulässig grossen Amplituden eventuell auftretenden. änderungen der Vibrationsfrequenz des Drahtes 8 wird die Amplitude des durch ihn fliessenden Wechselstromes automatisch geregelt. Zu diesem Zwecke dient eine aus Diodengleichrichtern 87, 88, 89 und 90 bestehende Wheatstonebrücke 86, die einen Zweiweggleichrichter darstellt. Die Leistung des von der Röhre 73 gespeisten Transformators 80 wird an eine Diagonale der Brücke 86 angelegt. Die Ausgangsspannung der llrücke 86 wird an die Leitungen 68 und 53 angelegt und durch die Widerstände 93 und 69 sowie durch die Kondensatoren 94 und 57 geglättet. Der Widerstand 91 stellt die Belastung der Gleichrichterbrücke dar.
Das vom Verstärker 42 abgegebene Ausgangssignal wird über den Kondensator 84 den Ausgangsklemmen 83, 85 zugeführt, an denen die Primärwicklung 97 des Transformators 96 liegt. Die an der Sekundärwicklung 98 erzeugte Spannung wird dem Frequenzmesser 95 zugeführt.
Der Draht 8 befindet sich stets unter Spannung, und die Anordnung 10 reguliert und ändert diese Spannung gemäss den verschiedenen, an die Anordnung 10 angelegten Flüssigkeitsdrücken. Die Vibrationsfrequenz des Drahtes 8 kann am Frequenzmesser 95 abgelesen werden, um dadurch die Werte des Flüssigkeitsdruckes zu bestimmen. Die Anordnung 10 kann unter dem Einfluss von einem oder zwei Flüssigkeitsdrücken, die in verschiedener Weise einzeln ausgeübt werden, stehen, oder sie kann auch unter dem Einfluss von zwei verschiedenen, gleichzeitig ausgeübten Drücken stehen, so dass im letzteren Fall die am Instrument 95 abgelesene Frequenz den Unterschied zwischen den beiden Flüssigkeitsdrücken anzeigt.
Eine Flüssigkeitsdruckquelle kann durch den Flüssigkeitseinlasskanal 40 in Verbindung mit den Hohlräumen 33 und 34 stehen, wobei dann der in diesen Hohlräumen herrschende Flüssigkeitsdruck den von dem Ringteil umgebenen zentralen Teil der Ringscheibe 26 - gemäss der Zeichnung - nach rechts zu bewegen sucht. Eine solche dank des dünnen Ringteiles 36 mögliche Bewegung des Innenteiles der Scheibe 26 bewirkt eine entsprechende Bewegung der Naben 31 und 29 der Scheibe 25 bzw. 27 sowie der Nabe 37 der Kalibrierungsscheibe 24 und schliesslich des Stiftes 39, wobei die Bewegung der Naben 29, 31 und 37 jeweils durch die dünnen flexiblen Ring- teile 30, 32 und 38 der Scheiben 27, 25 und 24 ermöglicht wird.
Die Bewegung des Stiftes 39 verringert die Spannung und damit die Vibrationsfrequenz des Drahtes 8, und die veränderte Frequenz kann am Frequenzmesser 95 abgelesen werden.
Falls durch den Durchlass 41 der Hohlraum 35 unter Druck gesetzt wird, werden der Innenteil der Scheibe 26 und die Naben 29, 31 und 37 zusammen mit dem Stift 39 in entgegengesetzter Richtung, nämlich gemäss Fig. 1 nach links bewegt. Dies bewirkt eine Zunahme der Spannung des Drahtes 8, wodurch sich dessen Vibrationsfrequenz erhöht und diese ver änderte Frequenz kann am Frequenzmesser 95 abgelesen werden, um dadurch den Wert des auf den Durchgang 41 ausgeübten Flüssigkeitsdrucks zu bestimmen.
Es ist zu beachten, dass der Hohlraum 35 allein ungefähr denselben Innen- und Aussendurchmesser aufweist wie die beiden Hohlräume 33 und 34 zusammen, so dass auf den Stift 39 in beiden Bewegungsrichtungen bei gleichen Drücken gleiche Kräfte ausgeübt werden können.
Wenn gleichzeitig beide Durchlässe 40 und 41 unter Druck gesetzt werden, so ist für die tatsächliche Bewegung des Stiftes 39 in der einen oder anderen Richtung der Unterschied zwischen den in den Durch lässen 40, 41 wirksamen Drücken massgebend. Dieser Druckunterschied kann am Frequenzmesser 95 abgelesen werden.
Ferner ist zu beachten, dass der Ringteil 36 der Scheibe 26 im Durchmesser beträchtlich grösser ist, als die Ringteile 32 und 30 der Scheiben 25 und 27, so dass die Scheiben 25, 27 je einen starren ringförmigen Aussenteil aufweisen, zwischen welchen der starre Innenteil der Scheibe durch den Flüssigkeitsdruck bewegt wird. Die Ringteile 30 und 32 der Scheiben 25 und 27 gestatten einfach eine entsprechende Bewegung der Naben 29 und 31, wobei die Scheiben 25 und 27 gleichzeitig die Hohlräume 33, 34 und 35 flüssigkeitsdicht abdichten.
Das Kalibrieren, d. h. das Einstellen einer bestimmten axialen Bewegung des Stiftes 39 für einen bestimmten auf die Scheibe 26 ausgeübten resultierenden Differenzdruck wird dadurch erzielt, dass der Wandteil 38 der Scheibe 24, beispielsweise durch Honen verschieden dünn, ausgebildet wird. Je dünner die Wand 38 desto grösser ist ihre Biegsamkeit und desto geringer ist ihre Tendenz, den Stift 39 und die damit verbundenen Teile gegen axiale Bewegung festzuhalten.
Die Anfangsspannung des Drahtes 8 wird mittels der Einstellschraube 22 eingestellt, welche sich sowohl mit der inneren Scheibe 15 als auch mit der an der äusseren Scheibe 18 befestigten Mutter 23 in Schraubverbindung befindet. Wie bereits beschrieben, unterscheiden sich die im Eingriff mit diesen beiden Teilen befindlichen Gewindeteile in der Anzahl der Gewinde gänge pro Längeneinheit, und diese Differenz kann gering sein, beispielsweise 79 Gewindegänge pro Zoll am einen Teil und 80 Gewindegänge pro Zoll am anderen Teil, wobei die Gewinde an beiden Teilen dieselbe Gangrichtung aufweisen. Verdrehung der Schraube 22 in einer Richtung bewirkt eine Gegeneinanderbewegung der mittleren Teile der Scheibe 15 und 18, und da der Wandteil 19 der Scheibe 18 dünner und nachgiebiger als der Wandteil der Scheibe 15 ist, verbiegt sich die Scheibe 18 in grösserem Ausmass als die Scheibe 15.
Bei der verhältnismässig geringen Durchbiegung der Scheibe 15 wird der Stift 17 mitgenommen und die Spannung des Drahtes geringfügig verändert. Obwohl bereits eine verhältnismässig kleine Bewegung des Stiftes 17 zu einer relativ grossen Anderung der Vibrationsfrequenz des Drahtes 8 führt, wird in dieser Weise eine Feineinstellung erzielt.
Die Anordnung der vier koaxial ausgerichteten Scheiben 24, 25, 26 und 27 ergibt ein kleines kompaktes einfaches Instrument von leichtem Gewicht.
Die gesamte Masse der beweglichen Teile der Scheiben und des Stiftes 39 ist klein, und die vereinigte Federwirkung der Ringteile führt zu einem hohen Federvermögen. Ungünstige Einflüsse, z. B. zufolge Trägheit, werden dabei verringert. Als weiteren Vorteil kommt dazu das Fehlen von metallischen Balgen, Hebelarmen oder Drehzapfen zum Bewegen des Stiftes 39.