Differenzdruck-Messumformer
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdruck-Messumformer, d. h. eine Vorrichtung, die ein von der Differenz zweier dem Umformer zugeführter Drücke abhängiges Ausgangssignal erzeugt.
Differenzdruck-Messumformer haben viele An wendungsmöglichkeiten und werden z. B. zur Durchflussmessung benutzt, indem ein vom Druckunterschied vor und hinter einer Messblende oder von der Differenz der von einem Venturirohr gemessenen Drücke abhängiges Ausgangs signal gebildet wird.
Die übliche Form des Differenzdruck-Messumformers enthält zwei Kammern, die Idurch ein elastisches, druckempfindliches Element, wie z. B. eine Membran, einen Belag oder die Wände einer dehnbaren Kapsel, getrennt sind. Die beiden Druckkräfte werden entgegengesetzten Seiten des druckempfindlichen Elementes zugeführt; ein beweglicher Teil des Elementes befindet sich daher jeweils in einer Stellung, die von dem angelegten Druckunterschied abhängig ist. Der bewegliche Teil der Vorrichtung kann einen starren Bestandteil enthalten, der von dem Element mitgeführt wird.
Damit solche Messumformer so empfindlich wie möglich sind, d. h. auf kleine Druckunterschiede reagieren, ist es nötig, dass die beweglichen Teile ein geringes Gewicht haben und leicht beweglich sind.
Das druckempfindliche Element wird daher gewöhnlich von dünnwandiger, feiner Struktur sein und muss gegen Überlastung geschützt werden. Zum Schutz gegen Überlastung ist es bekannt, ein oder mehrere empfindliche Elemente derart in einem starren Gehäuse unterzubringen, dass eine oder mehrere mit einer im wesentlichen nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllte Kammern entstehen. Zwei Ventile sind so angebracht, dass beim Auftreten eines. Überdrucks am Umformer eines der Ventile schliesst, indem es sich gegen einen Teil des Gehäuses legt und die Flüssigkeit im Innern. des dem Überdruck ausgesetzten empfindlichen Elementes abschliesst.
Da die Flüssigkeit im wesentlichen nicht komprimiert werden kann und das Ventil sich gegen einen Teil des Gehäuses abstützt, ist das empfindliche Element vor Beschädigung durch Überlastung oder durch die im Inneren eingeschlossene Flüssigkeit geschützt.
Bei diesen bekannten Umformern entstehen jedoch Schwierigkeiten, die auf ihre Empfindlichkeit gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur oder des statischen Druckes oder auf die notwendige Dämpfung der Bewegung des empfindlichen Elementes zurückzuführen sind.
Nach der vorliegenden Erfindung ist bei einem Differenzdruck-Messumformer mit einem im Innern der Gerätes angebrachten und von einem starren Gehäuse getragenen druckempfindlichen Element je eine die Räume auf beiden Seiten des druckempfind lichen Elementes abschliessende, elastische Dichtung vorgesehen, wobei die so gebildeten, an das druckempfindliche Element angrenzenden Kammern mit einer im wesentlichen, nicht kompressllen Flüssigkeit gefüllt sind, während die Drücke deren Differenz vom Umformer festgestellt werden soll, den dem druckempfindliche Element abgewandten Seiten der beiden elastischen Dichtungen zugeführt werden.
Vorteilhaft haben die beiden auf beiden Seiten des druckempfindlichen Elements gebildeten Kammern wenigstens annähernd gleichen Rauminhalt. Es ist günstig, wenn die wirksame Fläche der Dichtungen gross ist im Verhältnis zur wirksamen Fläche des druckempfindlichen Elementes. Zweckmässig haben die beiden Dichtungen etwa gleich grosse wirksame Flächen und gleiche Federungseigenschaften.
Die Dichtungen und das druckempfindliche Ele ment können z. B. das Innere des starren Gehäuses in vier Kammern aufteilen. Die beiden mit Flüssigkeit gefüllten Kammern liegen dann zu beiden Seiten des druckempfindlichen Elementes, zwischen ihm und den Dichtungen. Die beiden anderen Kammern liegen jeweils auf der dem druckempfindlichen Element abgewandten Seite jeder Dichtung. Diese beiden weiteren Kammern sind mit Einlässen versehen, um in diesen beiden Kammern die Drücke zur Wirkung zu bringen, deren jeweilige Differenz von dem Umfor mer festgestellt und ! in ein Ausgangssignal umgewan- delt werden soll.
Ein weiteres Merkmal eines Ausführungsbeispie les der vorliegenden ! Erfindung besteht darin, dass eine der Kammern in zwei Teilkammern unterteilt und ein einen beschränkten Flüssigkeitsdurchfluss von der einen Teilkammer in die andere gestattender Durchlass und ausserdem ein Überlastungsventil vorgesehen ist, das bei einer Bewegung des beweglichen Teiles des druckempfindlichen Elements von seiner Ausgangsstellung aus um einen vorgegebenen Betrag in der einen Richtung den Durchlass schliesst
Es ist vorteilhaft, ein zweites Überlastungsventil vorzusehen,
um den Durchlass bei Bewegung des beweglichen Teiles des druckempfindlichen Elementes um einen vorgegebenen Betrag von Ider Ausgangsstellung in entgegengesetzter Richtung ebenfalls zu schliessen.
Zur Unterteilung der einen Kammer kann eine starre, vom Gehäuse getragene Trennwand vorgesehen sein. Diese liegt dann zwischen dem druckempfindlichen Element und einer der elastischen Dichtungen der einen Seite des druckempfindlichen Elementes. Der Durchlass führt dann durch die Trennwand von einer Seite zur anderen. In diesem Fall kann jedes Überlastungsventil aus einem an der Trennwand vorgesehenen und das eine Ende des Durchlasses umgebenden Ventilsitz und einem Ventilkörper bestehen, der sich zusammen mit dem beweglichen Teil des druckempfindlichen Elementes bewegt und auf den Ventilsitz aufsetzt und den Durchgang schliesst, sobald der bewegliche Teil eine vorgegebene Strecke durchlaufen hat.
Wenn zwei Überlastungsventile vorgesehen sind, umgeben die Ventilsitze dle Öffnqmgen an den beiden Enden des Durchlass. es.
In Weiterbildung der Erfindung kann im Durchlass eine veränderbare Drosselstelle vorhanden sein, die zweckmässig von ausserhalb des Gehäuses einstellbar ist. Die Drosselung kann z. B. durch eine in den Durchlass eintauchende Schraube erfolgen.
Die Ausgangs grösse des Messumformers kann eine mechanische Bewegung, z. B. die Drehung eines Hebelarmes, sein. Sie kann verschiedenen Geräten zugeführt werden, z. B. dem Eingang eines Anzeigeoder Registriergerätes, einem Regler oder einem Messwertübertrager oder Sender. Es können Verstärker vorgesehen sein, z. B. Elektro-, mechanische oder hydraulische Verstärker. Ferner können Umwand lungs-oder Recheneiemente zur Umwandlung der Ausgangsgrösse des Messumformers vorhanden sein.
Die Ausgangsgrösse kann auch elektrischer Natur z B. ein Strom oder eine Spannung sein.
Ein Differenzdruck-Messumformer gemäss der nahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Hierin zeigt:
Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt des Messumformer,
Fig. 2 einen rechtwinklig zum Schnitt gemäss Fig. 1 verlaufenden Längsschnitt durch einen Teil des Messumformers mit weiteren Einzelheiten,
Fig. 3 einen Querschhnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2 und
Fig. 4 einen Einzelteil des Messumformers.
Wie in Fig. 1 gezeigt, hat der Messumformer ein starres Gehäuse 1 von im wesentlichen zylindrischer Form, dessen Längsachse mit la bezeichnet ist. Zur Vereinfachung und um Ausmass und Grösse der Zeichnung einzuschränken, wurde der Längsquerschnitt oberhalb und unterhalb der Längsachse an entsprechenden Stellen unterbrochen. Eine starre Trennwand 31, die Teil des Gehäuses list, teilt das Innere des Gehäuses. Eine weitere Unterteilung erfolgt durch zwei elastische Dichtungen 29 und 30 und ein druckempfindliches Element in Form eines elastischen Metallbalges 20. Das eine Ende des Balges 20 ist fest an die Trennwand 31 gefügt und wird so vom Gehäuse 1 getrag.en. Das andere Ende des Balges 20 trägt eine Endplatte 32 und ist hierdurch fest verschlossen.
Die Ränder der Dichtungen 29 und 30 sind in bekannter Weise (Einzelheiten sind in der Zeichnung nicht gezeigt) dicht in die Wand eingesetzt. Es ist ersichtlich, dass das druckempfindliche Element ebenso jede andere passende Form haben kann, z. B. eine Membran, eine Kapsel oder eine Anzahl von Kapseln sein kann.
Die Dichtungen 29 und d 30, der Balg 20 und die Trennwand 31 teilen das Innere des Gehäuses in verschiedene Kammern 2 bis 6. Die Kammern 4 und 5 sind Teile einer Kammer, die zwischen dem Balg 20 und der Dichtung 30 liegt; sie stehen normaler Weise über einen später zu beschreibenden Durchlass miteinander in Verbindung.
In den Seitenwänden des Gehäuses 1 sind Ein gangsöffnungen in Form von Schraubenstutzen 7 und 8 vorgesehen. Über diese sind d die Druckleitungen an den Messformer anzuschliessen, so dass in den Kammern 2 und 6 unterschiedliche Drücke zur Wirkung gebracht werden und die Druckdifferenz vora Umformer festgestellt wird.
Im Betrieb sind die Kammern 3-5 mit Flüssigkeit gefüllt, während die Kammern 2 und 6 unter dem Druck beliebiger Medien, z. B. Flüssigkeit, Dampf oder Gas, stehen. Die Bezeichnung Druck soll hierbei im allgemeinen den Druck Null einschliessen, da der Umformer auch für absolute Druckmessungen verwendet werden kann, wenn man in einer der Kammern 2 oder 6 ein Vakuum erzeugt und aufrechterhält.
Das Ausgangs- oder Geberelement des Umformers ist ein ausserhalb des Gehäuses befindlicher Hebel 9, der mit dem Ausgangs-Übertragungsglied, z. B. einem Torsionsrohr 10, verbunden ist. Dieses Torsionsrohr 10 ist dünnwandig und um die Achse
11 verdrehbar. Der Hebel 9 und das Rohr 10 sind in der Zeichnung punktiert angedeutet, da sie normaler Weise in diesem Längsschnitt nicht sichtbar sind. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Dreharm 12 mit dem inneren Ende des Rohres 10 verbunden. Dieser Arm 12 wird durch ein Verbindungsglied 13 um die Achse 11 geschwenkt. Das Verbindungsglied 13 ist durch Punktschweissen am oberen Ende des Dreharmes 12 befestigt und ist auf die gleiche Weise mit seinem anderen Ende mit dem Ventil verbunden.
Die Ventilanor,dnung umfasst einen Verbindungs schaft 21, auf dem das Verschlussstück 14 des Über- lastungsventil befestigt ist. Als Dichtelement dient ein O-Ring 15, der sich gegen den starren Ventilsitz 16 anlegt, der von einem Teil der Oberfläche der Trennwand 31 gebildet wird. Weiterhin trägt der Verbindungsschaft 21 das Verschlusstück 17, das mit einem O-Ring 18 ausgerüstet ist, der sich auf der dem ersten Ventilsiz entgegengesetzten Seite gegen einen zweiten von einem anderen Teil der Oberfläche der Trennwand 31 gebildeten Ventilsitz 19 legt.
Der Schaft 21 ist mit seinem linken Ende an dem Balg und an an der Platte 32 befestigt, so dass die Bewegung des Balges 20 über den Schaft 21 und das Verbindungsglied 13 weitergeleitet wird und bewirkt, dass der Dreharm 12 um die Achse 11 geschwenkt und das Geberelement 9 verstellt wird. Der Balg hat einen wirksamen Durchmesser von ungefähr r 3 cm.
Der wirksame Durchmesser der Dichtungen 29 und 30 beträgt ungefähr 9 cm. Die volle Ausdehaung ist in der Zeichnung wegen der Unterbrechungen nicht erkennbar. Das Verhältnis dieser Durchmesser wird abhängig vom Bereich des zu messenden Differenzdruckes gewählt. Um zu erreichen, dass Bewegung der Dichtungen 29 und 30 klein und die Bewegungen des Balges 20 möglichst gross ist, werden Dichtungen benutzt, deren wirksame Durchmesser im Verhältnis zum wirksamen Durchmesser des Balges 20 relativ gross ist.
Um die Wirkung kleiner, nicht beabsichtigter kurzzeitiger Druckschwankungen auf den Balg zu verringern, wird die Verbindung zwischen den Kammern 4 und 5 mit Hilfe eines Durchlasses eingeengt.
Dies wird durch einen Kanal 23 in der Trennwand 31 erreicht, der von der Kammer 5 zu einem weiteren Kanal 24 führt, von wo ein dritter Kanal 25 zu der Kammer 4 führt. In das Kanalstück 24 taucht ein Schaft 26 ein, dessen Endteil zwei derart abgeschrägte Flächen 27 und 28 aufweist, dass beim Drehen des Schafes 26 das innere Ende des Kanals 25 zunehmend geöffnet oder bis zum völligen Verschluss geschlossen wird. Hierdurch wird der Durchfluss durch die Dämpfungskanäle 23-25 reguliert. Die Stellung und Form der Dämpfungskanäle 23-25 und des Dämpfungsschaftes 26 sind in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Weitere Einzelheiten werden später anhand der Fig. 2-4 erläutert werden.
Der Schaft 26 ragt aus dem Gehäuse 1 heraus und kann von bussen eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich die Grösse der Durchflussöffnung zwischen den Kammern 4 und 5 und damit die Durchflussgeschwindigkeit und das Dämpfungsverhalten ändern. Um das Entweichen von Flüssigkeit zwischen der Wand des Kanals 24 und : dem Schaft 26 zu verhindern, sind ein oder mehrere O-Ringe 34 vorgesehen.
Wie bereits beschrieben, ist die Ventllanord- nung, bestehend aus Verschlussstück 14, Verbin dungsschafti 21 und d Verschlusstück 17, an einem Ende über das Verbindungsglied 13 mit dem oberen Ende des Dreharmes 12 und am anderen Ende mit der Endplatte 32 des Balges 20 verbunden. Die Ven tilanordnung hat daher neben ihr.er längsgerichteten eine leicht t bogenförmige Bewegung, da das obere Ende des Armes 12 um die Achse 11 geschwenkt wird. Auch müssen die Herstellungstoleranzen des Balges 20 und seiner Befestigung im Gehäuse 1 berücksichtigt werden. Die Ventil anordnung ist deshalb in einem Führungsrohr 22 untergebracht. Ausserdem ist das Verbindungsglied 13 entsprechend beweglich.
Das Führungsrohr r 22 ist mit Gleitsitz in einer Öff- nung der Trennwand 31 gehalten und etwas kürzer als der Verbindungsschaft 21, so dass sich ein Zwischenraum von einigen Tausendstel Zoll an beiden Enden des Rohres 22 ergibt. Es besteht ein geringer Zwischenraum zwischen der Innenwand des Führungsrohres 22 und der Oberfläche des Verbindungsschaftes 21. Die verschiedenen, hier beschriebenen Zwischenräume sind in der Zeichnung der Deutlichkeit wegen übertrieben dargestellt.
Es kann so Flüssigkeit aus Kammer 5 um das eine Ende des Füh- rungsrohres 22 herum, durch das Führungsrohr 22 hindurch und d durch den Zwischenraum zwischen dem gegenüberliegenden Ende des Führungsrohres 22 und dem Ventilverschlussstück 17 in Idie Kammer 4 gelangen. Dieser Durchfluss von Flüssigkeit zwischen Schaft 21 und Rohr 22 ist jedoch klein im Verhältnis zu dem Durchfluss durch die Kanäle 23-25, wenn diese geöffnet sind.
Um den Einfluss von Schwankungen der Umge bungsteinperatur oder des statischen Druckes auf den Messwcrtumformer zu verringern, haben die Dich- tungsscheiben 29 und 30 im wesentlichen gleiche Flächen und gleiche Federungseigenschaften. Weiter hat die Kammer 3 annähernd denselben Rauminhalt wie die Kammern 4 und 5 zusammen, so dass jeglische Schwankungen, dér Umgebungstemperatur oder des statischen Druckes auf beiden Seiten des Balges 20 den gleichen Einfluss haben und sich daher gegenseitig aufheben.
Der ausserhalb des Gehäuses 1 befindliche Hebel 9 kann zur Verstellung beliebiger Geräte benutzt werden. Er kann z. B. ein Anzeigegerät, einen Schreiber, ein Steuer- oder Regelgerät oder ein Übertragungs- oder Sendegerät beeinflussen. Dies kann direkt oder mittels beliebiger Koppelglieder, z. B. über Verstärker, erfolgen. Die verstärkende Vorrichtung kann ein mechanischer, ein elektrischer, ein hydraulischer oder ein pneumatischer Verstärker sein. Das Übertragungsglied kann auch ein Element sein oder enthalten, das die Ausgangsenergie des Messumformers umwandelt und ein Signal erzeugt, das Funktion der Ausgangsgrösse des Umformers ist.
Insbesondere bei der Durchflussmessung kann das Rechenelement eine Vorrichtung enthalten, die als Ergebnis die Quadratwurzel der Ausgangsgrösse des Umformers liefert. Weiterhin kann der Hebel 9 mit einem Gerät zusammenwirken, welches der Hebelkraft eine entsprechende Gegenkraft entge gesetzt und somit mit dem Hebel ein ; kraftkompen siertes System bilde. Die Wirkung dieses Gerätes besteht also darin, dass es ein Drehmoment auf den Hebel ausübt, um damit derjenigen Kraft die Waage zu halten die von der Druckdifferenz im Messumformer erzeugt wird. In einem solchen Fall wird das Ausmass der Bewegung des Balges 20 im allgemeinen nur sehr klein sein und innerhalb der zum Schliessen der Überlastungsventile erforderlichen Wegstrecke liegen.
Wo jedoch der Hebel an ein auf die Hebelstellung ansprechendes Gerät angeschlossen ist, können die Hebelbewegungen wesentlich grösser sein.
Bei Verbindung der Eingänge 7 und 8 mit je einer Druckquelle arbeitet der Umformer folgendermassen: Wenn der Druck auf die Aussenfläche der Dichtung 29, d. h. der Druck in Kammer 2, und der Druck auf die Aussenfläche der Dichtung 30, d. h. der Druck in Kammer 6, gleich gross sind, befindet sich der Umformer in der Ruh, oder Ausgangsstellung, und beide Überlastungsventile 14/16 und 17/19 sind offen. Nimmt man an, dass der Druck auf die Aus senfläche der Dichtung 30 ansteigt, so wird dieser Druckanstieg den beweglichen Teil der Dichtung 30, wie in der Zeichnung gezeigt, nach links verschieben.
Weiterhin steigert der Druckanstieg in Kammer 6 den Druck in Kammer 5, in den Durchlässen 23, 24 und 25 und daher auch in Kammer 4. Der Druckanstieg in Kammer 4 bewirkt seinerseits, dass die Endplatte 32 des Balges 20 sich ebenfalls nach links bewegt.
Diese Bewegung verursacht Drehung des oberen Endes des Schwenkarmes 12 entgegen dem Uhrzeiger um die Achse 11. Hierdurch dreht sich auch Hebel 9 engegen dem Uhrzeigersinn und verstellt das jeweils angeschlossene Gerät.
Wenn der Druck auf die Aussenfläche der Dich- tungsmembran 30 den Druck auf die Aussenfläche der Dichtung 20 erheblich übersteigt, wird sich die Endplatte 32 des Balges so weit bewegen, dass sich das Verschlussstück 14 dieses Überlastungsventils gegen den Sitz 16 legt und so Flüssigkeit in den Kammern 4 und 5 einschliesst, indem es das äussere Ende des Durchlasses 23 schliesst. Da die Flüssigkeit praktisch nicht komprimiert wird, wird die Dichtung 30 durch die hinter ihr eingeschlossene Flüssigkeit getragen und kann dem auf sie einwirkenden Druck widerstehen. Die Kammer 4 ist von dem in den Kammern 5 und 6 evtl. noch weiter ansteigenden Druck abgeschlossen, wodurch eine Beschädigung des Balges 20 verhindert wird.
Wenn andererseits der Druck auf die Aussenfläche der Dichtungsmembran 29 den Druck auf die Aussenfläche der Dichtungsmembran 30 übersteigt, wird das Endstück 32 in entgegengesetzter Richtung bewegt und das Obertragungsglied 10 den Hebel 9 in entgegengesetzter Richtung verstellen. Wenn dieser Druckunterschied sehr gross wird, wird sich der Überlastungsventüschliesskörper 17 gegen den Ventilsitz 9 legen und wiederum die Flüssigkeit in die Kammern 4 und 5 einschliessen und das äussere Ende des Durchlasses 25 schliessen. Eine Beschädigung der Dichtung 29 und des Balges 20 wird auf diese Weise verhindert, da die nicht komprimierbare Flüssigkeit die Dichtung 29 unterstützt und die Kammer 5 ausserdem von dem evtl. noch weiter ansteigenden Druck in den Kammern 2, 3 und 4 abgeschlossen ist.
Auf diese Weise wird das eine oder das andere der Überlastungsventile geschlossen, sobald der be bewegliche Teil des dr. uckempfindlichen Elements, d. h. die Endplatte 32 des Balges 20 sich von seiner Ausgangsstellung aus über eine vorgegebene Strecke hinaus bewegt. Der vorgegebene Abstand muss nicht unbedingt in beiden Richtungen gleich sein.
Da Fig. 1 die Dämpfungsdurchlässe 23-25 und den Dämpfungs-Einstellschaft 26 nur schematisch zeigt, sollen weitere Einzelheiten nachfolgend anhand der Fig. 2-4 kurz erläutert werden. Wie Fig. 3 erkennen lässt, liegen die Kanäle 23 und 25 nebeneinander in der Trennwand 31, während der Durchlass 24 nach dem Schnitt der Fig. 3 längs einer Bogensehne angeordnet ist, so dass die Kanäle 23 und 25 im rechten Winkel auf ihn treffen. Der Durchlass 25 ist eine gerade Bohrung von einer Öffnung in der Oberfläche des Ventilsitzes 19 zu einer in gewisser Entfernung vom Ende des Kanals 24 liegenden Stelle dieses Kanals.
Wie die Fig. 2 und 3 zeigen besteht der Durchlass 23 aus zwei im spitzen Winkel zueinander verlaufenden und an der Oberfläche des Ventilsitzes
19 zusammentreffenden geraden Bohrungen, die von dieser Stelle aus schräg in die Trennwand 31 hineinverlaufen. Die eine Bohrung mündet in den Kanal 24, während die andere auf der dem Verbindungsschaft 21 zugewandten Seite in den Ventilsitz 16 mündet. Nach dem Bohren dieser beiden Kanalstücke wird die Bohröffnung im Ventilsitz 19 durch eine Platte 33 verschlossen. Diese Platte bildet dann ein Teil der Wand des Kanals 23 und deckt diesen nach der Kammer 4 hin ab.
Fig. 4 gibt den inneren Endteils des Dämpfungs Einstelischaftes 26 wieder, der beim Verdrehen mit zwei im Winkel zueinander abgeschnittenen Flächen 27 und 28 die Einstellung des Durchflussquerschnitts zwischen den Kanälen 23 und d 25 über den Durchlass 24 ermöglicht.