Druckmesswandler und Verfahren zu seiner Herstellung
Beim Bau von Druckmesswandlern kommt der Ue- staltung der Membrane ausschlaggebende Bedeutung zu.
Dieselbe hat bekanntlich eine 5-fache Aufgabe zu bewältigen. a) Sie dichtet das Innere des Wandlers gegen das Messmedium ab. b) Sie überwindet ungleichmässige Deformationen des Wandlergehäuses gegenüber dem zentralen Messteil des Wandlers. c) Sie überträgt den von aussen wirkenden Flächendruck in jedem Druckbereich proportional auf den zentralen Messstempel. d) Sie soll möglichst unempfindlich gegen harte dynamische Druckstösse sein. ye) Sie soll sich bei Temperaturstössen möglichst wenig werfen.
Es ist ersichtlich, dass diese verschiedenen Aufgaben nicht leicht in eine einwandfreie konstruktive Lösung zu bringen sind. Eine bekannte Membranform, die vom weitaus grössten Teil aller Messwandler angewendet wird, benützt eine ringwulstähnliche Einsenkung, deren Querschnitt etwa einer Ketten linie entspricht. Diese Form eignet sich gut für die meisten Anforderungen, dagegen ist sie für Dauerbeanspruchung bei harten dynamischen Stössen wenig geeignet, da sich an den Einsenkstellen sehr gefährliche Zug- und Biegebeanspruchungen ergeben.
Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Druckmesswandler, der allen gestellten Anforderungen in idealer Weise nahe kommt. Die Erfindung betrifft einen Druckmesswandler mit einer Dichtmembrane, die an ihrer Umfangspartie mit dem rohrförmigen Wandlergehäuse verschweisst ist und mit ihrer zentralen Partie auf einem im Wandlerinneren befindlichen Druckstempel aufliegt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmembrane den Ringraum zwischen Wandlergehäuse und Druckstempel in form eines stützbogenförmigen Wulstes entgegen dem im Betrieb zu messenden Mediumdruck überwölbt. Damit ergibt sich der grosse Vorteil, dass in der Membrane keine Zugspannungen, sondern Druckspannungen entstehen, die bekanntlich ein wesentlich günstigeres Dauerverhalten ergeben.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemässen Druckwandlers. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtmembrane aus gewalztem Blech im Gesenk vorgepresst wird und dass hierauf in einer Spezialvorrichtung durch hydraulische Druckanwendung der gewünschte stützbogenförmige Wulst erzeugt wird.
Die Erfindung ist anhand der folgenden Figuren beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch das membranseitige Ende eines handelsüblichen Druckmesswandlers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das membranseitige Ende eines erfindungsgemässen Druckmesswandlers, und
Fig. 3 einen weiteren Querschnitt durch das membranseitige Ende eines erfindungsgemässen Druckwandlers.
Nach Fig. 1 besteht ein handelsüblicher Druckmesswandler im wesentlichen aus dem rohrförmigen Wandlergehäuse 1, dem zentralen Druckübertragungsstempel 2, in welchem piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Messmittel eingebaut sein können. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Stempel 2 ist der ringförmig ausgebildete Raum 3. Die Membrane 4 ist mit dem Körper 1 mittels Schweissung 5 verbunden. Sie überbrückt den Ringraum 3 mit einem Ringwulst 6 mit halbkreisoder kettenlinienähnlichem Querschnittsverlauf in der Wulstpartie. Bei starken Druckstössen ergeben sich an den kreislinienförmigen Auflagesteilen 7 und 8 gefährliche Zug- und Biegespannungen, die bei Dauerbeanspruchung oft zu Membranbruch führen.
Das Druckmedium bewirkt den Flächendruck p auf die Membrane, wodurch eine Relativbewegung S zwischen Gehäuse 1 und Messstempel 2 auftritt. Diese Bewegung muss durch die Ela stizität des Ringwulstes 6 aufgenommen werden, ohne dass sich dabei die Auflagepunkte 7 und 8 wesentlich verschieben, ansonst sich eine schlechte Linearität des Messwandlers ergibt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eines erfindungsgemässen Druckmesswandlers besitzt ebenfalls ein rohrförmiges Wandlergehäuse 21 und einen zentralen Druckübertragungsstempel 22; im Wandler können wie derum piezoelektrische, ohmsche, kapazitive oder induktive Messmittel eingebaut sein. Zwischen Gehäuse 21 und Stempel 22 befindet sich der ringförmig ausgebildete Raum 23. Die möglichst dünne Membrane 24 ist mittels Schweissung 25 mit dem Gehäuse 21 fest verbunden.
Die Membrane 24 überbrückt den Ringraum 23 in Form eines stützbogenähnlichen Ringwulstes 26 mit beispielsweise halbkreisförmigem Querschnittsverlauf. Der Mediumdruck p bewirkt an allen Stellen des Ringwulstes 26 Druckspannungen, welche sich an den Stellen 27 und 28 abstützen. Die Stützkraft P kann in die beiden Komponenten A und B aufgeteilt werden. Von Vorteil ist, wenn der Winkel cc zwischen 450 und 600 beträgt damit Schub B und Auflagedruck A etwa gleich gross werden. Auf der Kreislinie 27 wird der Abstützwinkel p in ähnlichen r Grössen liegen, abhängig vom Verhältnis . Diese Auf
R lagepunkte verändern ihre Lage auch nicht, wenn sich Relativbewegungen S zwischen Körper 21 und Stempel 22 ergeben. Zudem liegt die Dauerfestigkeit von normalen Membranmaterialien bei Druckbeanspruchung wesentlich höher als bei Zugbeanspruchung.
Die erfindungs- gemässe Ausführungsform ergibt deshalb eine um ein mehrfaches erhöhte Lebensdauer wie eingehende Versuche gezeigt haben. Die Membrane 24 wird zweckmässig so dünn wie möglich gehalten. Sie kann bei gleicher Druckbeanspruchung wesentlich dünner sein als eine übliche Membrane nach Fig. 1. Sie wird vorteilhaft im Gesenk vorgepresst und hierauf in einer Spezialvorrichtung durch hydraulische Druckanwendung auf die ideale Form des Wulstes, die einem Halbkreis ähnlich ist, deformiert. Der dazu aufgewendete Druck ist höher als der je auf den fertigen Wandler einwirkende Druck, so dass sich der Stützbogenwulst 26 im Betrieb nicht mehr ver ändert, da er bereits die physikalisch bedingte ideale Formgebung hat.
Die Ausführungsform nach Fig. 3 besitzt eine Membrane 34 aus wesentlich dickerem Material als beim Wandler nach Fig. 2. An der Stelle des Stützbogenwulstes 36 ist die Materialstärke durch Walzen oder Pressen wesentlich reduziert, so dass die notwendige Flexibilität wiederum gewährleistet ist. Diese Membranform ergibt schärfer definierte Abstützstellen 37 und 38 und eine günstige Spannungsverteilung. Durch Punkt- oder Ringbuckelschweissung 39 kann die Membrane 34 mit dem Stempel 32 verbunden werden. Zum Schutz gegen Verwerfung der Membrane 34 bei Temperaturstössen ist eine sehr dünne Schutzmembrane 40 auf die Dichtmembrane 34 aufgelegt. Diese kann mit sehr feinen Bohrungen 41 versehen sein.
Bei Auftreffen eines Temperaturstosses A t hebt sich die Temperaturschockmembrane 40 um die Strecke A s von der Dichtmembrane 34 ab ohne auf dieselbe eine zusätzliche mechanische Kraft auszu üben. Auf diese Weise kann der Einfluss eines Temperaturschockes auf die Dichtmembrane 34 auf ein Minimum reduziert werden. Im stationären Temperaturfeld liegt die Schutzmembrane 40 genau auf der Druckmembrane 34 auf. Sie kann mittels Schweissung 42 oder mit Schweisspunkten mit derselben verbunden sein oder kann auch mit bekannten mechanischen Mitteln 43 von der Peripherie her auf die Dichtmembrane 34 geklemmt werden.
Die Erfindung ermöglicht somit den Bau von Druckmesswandlern, bei welchen in der Dichtmembrane im wesentlichen lediglich Druckspannungen auftreten, wodurch sich die Lebensdauer bei harten dynamischen Stossbelastungen auf ein Mehrfaches gegenüber bisherigen Bauformen vergrössert. Die gegebenenfalls über die Druckmembrane gelegte, sehr dünne Temperaturschock membrane reduziert den Einfluss von Temperaturstössen auf die Druckmembrane und verhindert damit Fehlmessungen unter extremen Messbedingungen.