Druckmesswandler
Beim Bau von Druckmesswandlem spielt die Kon struktion der Membranpartie eine ausschlaggebende Rolle. Die Membrane dient bekanntlich zwei Hauptzwecken, nämlich der Abdichtung des Messelementes des Wandlers gegenüber dem auf die Membrane einwir- kenden Druckmediums, sowie der Umsetzung des auf die Membranpartie wirkenden Fläohcndruckes in eine Kraft,welcheübersinÜbertragungsglied zur Messzelle übertragen wird. In dieser wird die mechanische Kraft mit bekannten Mitteln in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dazu können Dehnmessstreifen, induktive, kapa zitive oder piezoelektrische Messzellen verwendet wer- den.
In allen Fällen ist aber für die Kraftmossung ein ganz bestimmter Weg des Übertragungsgliedes nötig, so dass die auf letzterem aufliegende Membrane eine ganz bestimmte Durchbiegung bei einem Durckanstieg des Massmediiums zu ertragen hat. Je nach dem System der Messzelle und dem auftretenden Messdruck kann diese Durchbiegung Werte zwischen wenigen und mehreren Tausendstel Millimetern betragen. Offensichtlich ist, dass die Membrane mit der geringsten Durchbiegung am ehesten dynamischen Dauerbeanspruchungen gewachsen ist.
Bekannte Ausführungsformen von Druckmesswand- lern wenden nun verschiedene Mittel an, um die durch die Durchbiegung der Membrane hervorgerufene Membranbeanspruchung möglichst gleichmässig zu verteilen, um örtliche überbeanslpruchung der Membrane und dadurch Risse in derselben zu vermeiden. Dies gelingt mit den bekannten Konstruktionen nur in unvollkommenem Mass, so dass sie in der Regel nur etwa 2 X 106 Lastwechsel ertragen.
Die Erfindung bezweckt, diese Schwierigkeit weit gehend auszuschalten. Sie betrifft einen Druckmess- wandler, bei dem eine dem Messdruck ausgesetzte Membrane auf einem bertragungsglied aufliegt, das zur Kraftübertragung auf das Mosaetlement dient Die Erfindu, ng ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane als verhältnissmässig dünne Dichtmembrane auf einer gelochten Stützmembrane mit grösserer mittlerer Wandstprke als derjenigen der Dichtmembrane aufliegt,
dass weiter die Stutzmembrane in einem Teil des Wandler- genauses gelagert ist und mit ihrem Lochrand das Über- tragungsglied mit geiingem Spiel umgreift.
Bekannte Konstruktionen sowie Ausführungsbei- spiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeich nung näher erläutert.
Fig. 1 und 3 zeigen einen Querschnitt durch die eine Hälfte fer Membranpartie je eines handelsüblichen Messwandlers vor Einwirkung eines Druckes auf die Membrane.
Fig. 2 und 4 zeigen die den Fig. 1 und 3 entsprechende andere Hälfte des Druckwandlers nach Anwendung eines bestimmten Druckes und entsprechender Durchbiegung der Membrane.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte der Membranpartie eines erfindungsgemässen Messwandlers vor Einwirkung eines Druckes auf die Membrane.
Fig. 6 zeigt die der Fig. 5 enbsprechende andere Hälfte eines erfindungsgemässen Messwandlers bei Einweimkung eines bestimmten Druckes.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte der Membranpartie eines Messwandlers mit zu hart abge- stimmter Stützmembrane.
Fig. 8 zeigt die Fig. 7 entsprechende andere Hälfte eines Druckwandlers, jedoch mit zu weich abgestimmter Stützmembrane.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch eine Hälfte der Membranpartie eines weiteren erfindungsgemassen Mess- wandlers.
Fig. 10 zeigt die Fig. 9 entsprechende andere Hälfte aines effindungsgamässen Druckwandlers mit infolge Unterdruck vom Druckstempel abgehobener Membrane.
Fig. 11 und 12 zeigen einen Querschnitt durch die Membranpartie von zwei weiteren erfindungsgemässen Messwandlern.
Fig. 13 zeigt einen erfindungsgemässen Messwandler mit rückverlegter Schweissung der Membrane.
Fig. 14 zeigt aine weitere Membrankonstrukfion mit vorverlegter Schweissung der Membrane.
Die bekannten Membrankonstruktionen benützten speziell verformte, teilweise aws vollem Material heraus- gearbeitete Membranen, die insbesondere für Hoch- druckanwendung eine erhebliche Wandstärke aufweisen und damit steif sind. In Fig. 1 ist eine solche Ausfüh- rungsart dargestellt, wobei 1 den mit Einschraubgewinde versehenen Wandlerkörper und 2 den DruckzyEnder bezeichnet, der mit dem Messelement auf nicht gezeigte Waise in Wirkverbindung steht und so als Übertragungs- glied zur Kraftübertragung auf das Messelement dient.
Die Membrane 4 schliesst den kreisringförmigen Zwi- schenraum 3 ab und ist an der Stelle 5 mit dem Wandler- gehäuse 1 verbunden. Meist ist die Membrane 4 aber auch an der Fläche 6 mit dem Druckzylinder 2 verbunden. Zwischen den Ringflächen 5 und 6 überbrückt die Membrane den Raum 3, was üblicherweise mit einer im Schnitt seillinienförmigen Einwölbung 7 geschieht.
Wirkt nun ein Flächendruck p auf die Membrane, so hebt sich nach Fig. 2 das Ende des Druckzylinders 2 um den Betrag h , wobei die Membrane 4 sich entsprechend dleformiert. Dadurch entstehen insbesondere an den Stellen 8 und 9 sehr hohe örtliche Spannungsspitzen. Bei länger dauernden hohen dynamischen Beanspruchungen brechen die Membranen denn auch an diesen Stellen.
In Fig. 3 ist eine andere bekannte Konstruktion gezeigt, wiederum bestehend aus dem mit Einbaugewinde vorsehenen Wandlergehäuse 11, dem Druckzylinder 12, dem dazwischen liegenden kreisringförmigen Raum 13 und der diesen Raum abschliessenden Membrane 14.
Diese ist aus einer vollen Scheibe herausgearbeitet und ist an ihrem Umfang fest im Gehäuse 11 eingespannt.
Durch EinwirkungeinesAussendruckes p wird der Druckzylinder 12 um den Betrag h deformiert, wobei die Membrane sich etwa entsprechend der nn Fig. 4 gezeigten Membrane 14"verformt. Die Spannungsver- änderungen sind in diesem Fall wesentlich. besser über die ganze Membrane verteilt. Nachteilig ist aber, dass insbesondere in den unteren Messbereichen kein linearer Zusammenhang zwischen Druck p undder Kraft auf den Druckzylinder 12 besteht. Zudem ergibt diese Konstruk- tionsform infolge unklarer Reibungsverhältniisso bedeu- tende Hysteresefehler.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemässen Druokmesswandlers, wobei 21 das mit Ein sohraubgewinde versehene Wandlergehäuse, 22 den Druckzylindor und 23 den kreisrtingfönnigen Raum zwischen Zylinder 22 und Gehäuse 21 bezeichnet. Auf einer elastischen Stützmembrane 26 liegt die sehr dünne Dicht- membrane 24 auf, die ihrerseits in geeigneter Weise z. B. durch Schweissung-mit dar Stirnfläche 25 des Wandlerkörpers 21 verbunden ist.
Die Stützmembrane 26 ist vom Aussendurchmesser D1 bis zum Durchmesser D, fest eingespannt und umschliesst den Druckzylinder 22 mit einem Spiel S , das wenige Hundertstel Millimeter -z. B. drei Hundertstel - beträgt. Infolge dieses geringen Luftspaltes kann die Membrane ohne besondere Mass nahmen über die Stützmembrane gelegt werden,. Die Stützmembrane 26 besteht aus einem federndem Material wie z. B. Federstahl, Federbronze oder einem Kunststoff und besitzt eine Formgebung, bei der sich der Querschnitt z. B., wie gezeigt, radial einwärts verjüngt.
Entsprechend Fig. 6 ist die Stützmembrane 26 vorteilhaft so dimensioniert, dass bei Einwirkung des Aussendruckes p die Deformation h eine über den ganzen Durohmesser Da gleichmässige Durchbiegung der Membrane 24 ermöglioht.
Auf diese Weise ist die Spannungsänderung über die ganze Membranflache gleichmässig verteilt Zu diesem Zwecke ist das Deformationsverhalten des Druckzylinders 22 und der Stützmembrane 26 genau aufeinander abzustimmen.
Fig. 7 und 8 zeigen die beiden Erscheinungen, die auf treten. wenn diese Absssmimumg nicht befriedigend ist.
Ist die Stützmembrane 36 nach Fig. 7 zu biegosteif, so entsteht an der Stelle 37 ein scharfer Knick in der Membrane 34, wodurch wiederumgefährlicheSpannungsspitzen entstehen können. Ist anderseits nach Fig. 8 die Stützmembrane 46 zu wenig biegungssteif, so entsteht an der Stelle 47 wiederum ein scharfer Knick in der Membrane 44, was gleich gefährlich sein kann. Die genaue Form der Stützmembrane 26 erfordert somit eine genaue Berechnung und/oder vor allem umfangreiche Versuche.
Ist die Form aber gefunden, so lässt sich mit einer sehr dünnen Membrane insbesondere eine einwandfreie lineare Beziehung zwischen Druck p und Kraft auf den Druckzylinder erreichen, was beispielsweise bei piezoelektri- schen Messelementen zu einem zum Druck linearen Aus gangssignal führt. Dazu ist diese Membranform praktisch hysteresefrei.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfin dung. Danach ist 51 das mit Montagegewinde versehene Wandlergehäuse, 52 der Druckzylinder, 53 ein kleiner Ringspalt zwischen 51 und 52 und 55 eine Ausdrehung mit Durchmesser D2, damit sich die Stützmembrane 56 frei durchbiegen kann. Die dünne Dichtmembrame 54 ist auf ihrem Aussendurchmesser sowohl mit der Stützmem- brane 56 als mit der Schutzplatte 58 fest vereinigt. Die fertig zusammengebaute bauliche Einheit kann z. B. mittels Bördelpartie 57 im Wandlergehäuse 51 befestigt wer- den. Es könaen aber auch andere bekannte Befestigungs- mittel dazu verwendet werden.
Die Schutzplatte 58 besitzt eine kugelkalottenförmige Eindrehung 59, in welche eine Anzahl feiner Bohrungen 60 münden. Wirkt nun auf die Membranseite des Wandlers ein Unterdruckstoss, so hebt sich die Membrane 54 entsprechend Fig. 10 vom Druckzylinder 52 ab und kommt zum Anschlag gegen die Schutzplatte 58, wodurch die Grosse des Unterdruck- impulses nicht vom Messelement erfasst wird.
In der Ausführungsform nach Fig. 11 besteht die Stützmembrane aus ainer Kombination von mehreren Federscheiben mit unterschiedlichem Innendurchmesser D. Der Raum 65 ist aus dem Wandlerkörper 61 ausgespart. Die Membrane 69 ist auf dem Aussendurchmesser auf bekannte Weise mit dem Wandlergehäuse 61 fest verbunden. Der Druckzylinder 62 ist mit einem flachen Zapfen 70 ausgestattet, auf welchen die Membrane 69 bei Montage gepresst wird. Durch Bördeln, schweissen oder löten kann die Nahtstelle 71 dichtend gemacht wer- den. Es ist aber auch möglich die Membrane 69 ohne Bohrung zu versehen ; sie kann dann mit bekannten Schweissverfahren mit dem Druckzylinder 62 verbunden werden.
Die in den Fig. 5 bis 11 gezeigten Stützmembranen haben alle gemeinsam, dass sie auf dem Aussendurch- messor fest im Wandlergehäuse eingespannt sind. Fig. 12 zeigt im Gegensatz dazu eine Ausführungsform eines er- fmdungsgemässen Druckmesswandlers mit einer Stütz- membrane 76, die nua aber entlang dem Aussendurch- messer auf der Lagerpartie 72 des Wandlerkörpers 71 frei aufliegt. Die Deformation der Stützmembrane 76 wird durch die Ausnehmung 75 gewährleistet.
An ihrem Innendurchmesser weist die Membrane ein Spiel von we nigen Hundertstel Millimeter gegenüber dem Druck- zylinder 62 auf. Die Dichtmembrane 79 liegt frei auf der Stützmembrane 76 auf und ist am Aussendurchmesser 80 mit dem Gehäuse 71 fest verbunden. Die Formgebung der Stützmembrane 76 ist wiederum durch Berechnung und Versuche so zu gestalten, dass die in Fig. 7 und 8 veranschaulichten Erscheinungen nicht auftreten. Vor teilhaft ist die Wandstärke der Stützmembrane gegen den Innendurchmesser wesentlich verstärkt, wie auf der Zeichnung angedeutet.
Entsprechend Fig. 13 kann es für die Dauerfestigkeit der Membrane von Vorteil sein, wenn die Schweissung
85 durch Umbiegen der Membrane 86 im Bereich 87 aus der Membranebene verlegt wird. Dadurch lassen sich radiale Zugspannungen in der Membrane schon während des Schweissvorganges verhindern ; zudem besteht so Möglichkeit, den Druckmesswandler gegen die Gehäuse- bohrung 88 direkt abzudichten.
Entsprechend Fig. 14 kann die Membrane 90 aber auch versent im Gehäuse 91 angebracht und am Umfang 92 verschweisst werden. Auch in diesem Fall ist dixie Schweissung wesentlich weniger gefährdet als wenn sie in der gleichen Ebene wie etwa in Fig. 11 und 12 angebracht wird.
Die dargelegten Überlegungen können unabhängig von der Art des jeweiligen Messelementes angewendet werden. Durch das Zusammenwirken der Stütz-und Dichtmembrane ist die Verwendung einer sehr dünnen, biegungsweichen Dichtmembrane auch bei sehr hohen Messdrücken möglich.
Die Abstimmung der Stützmem- brane ormöglicht eine gleichmässig verteilte Durchbiegung der Membrane in Form emer Kreis-oder Parabelkalotte zu erzielen, wodurch die Spannungen bei Durchbiegung gleichmässig auf die ganze Membrane verteilt sind. Dadurch ist diese Membrankonstruktion insbesondere fiir hohe Drücke und hohe Lastwechselzahlen, also lange Lebensdauer der Dichtmembrane, geeignet.
Durch die iibersichtliohen Reibungsverhältnisse einer dünnen Membrane ergibt die dargelegte Konstruktion praktisch keine messbaren Hysteresefehler. Gleichzeitig können aber auch völlig lineare Beziehungen zwisohen Druck im Messraum und Messkraft verwirklicht werden, was sich in der Kennima der Messwandler klar ausdrückt.
Die sehr dünnen Dichtmembrane hat zudem noch den grossen Vorteil, dass Temperaturschockeinflüsse weitaus geringere Verbiegungskräfte und damit Messfehler verursachen als übliche Konstruktionsformen.
Das Übertragungsglied kann wie gezeigt als einteiliger Druokzylindor ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, ein aus mehreren Teilen bestehendes Übergangsglied zu verwenden.
Wenn auch eine lineare Bezeichnung zwischen Messdruck und auf das Messelement wirkender Kraft im Vordergrund steht, können die vorstehenden Überlegungen auch zweckmässig bei Druckmesswandlern ohne eine liaeare Beziehung zwischen Messdruck uned Messignal angewendet werden. Gegebenenfalls kann durch geeignete Ausbildung der Stützmombrano eine ganz bestimmte, nicht lineare Messcharakteristik erreicht werden.