CH453745A - Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums - Google Patents

Description

  
 



  Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Ermittlung der Änderung der mechanischen Schwingungsfrequenz eines in Eigenschwingung versetzbaren, einseitig geschlossenen hohlzylindrischen Schwingungskörpers, dessen Inneres vom Medium druckbeaufschlagt ist. Der hohlzylindrische Schwingungskörper bildet dabei einen Teil eines magnetischen Kreises, dem eine Induktionsspule und eine Erregerspule zugeordnet sind.



   Vorrichtungen, bei welchen die Abhängigkeit einer magnetisch erregbaren Eigenschwingungsfrequenz eines druckbeaufschlagten Hohlkörpers zur Ermittlung des Druckes herangezogen wird, sind bekannt.



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht unter anderem darin, eine Druckmessvorrichtung mit möglichst geringem Aufwand in kompakter Bauweise so zu gestalten, dass sie für die Messung hoher Drücke geeignet ist und zusätzlich auftretende hohe Druckstösse den Hohlkörper nicht bleibend deformieren.



   Erfindungsgemäss ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungskörper ein Rohr ist, dessen Länge ein Vielfaches seines Durchmessers beträgt, und die übrigen Teile des magnetischen Kreises ausserhalb des Rohres unter Zwischenanordnung mindestens eines Luftspaltes angeordnet sind, derart, dass die in Ruhezustand geradlinige Längsachse des Rohres in Biegeschwingungen erregbar ist.



   Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, welch letztere rein beispielsweise eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt.



   Fig. 1 zeigt den mechanischen Teil einer Druckmessvorrichtung im Längsschnitt und
Fig. 2 ist ein Blockschema der elektronischen Schaltung der Druckmessvorrichtung.



   Gemäss Fig. 1 ist in einem Verbindungsstück 11 als druckbeaufschlagter hohlzylindrischer Schwingungskörper ein aus ferromagnetischem Material gefertigtes Kapillarrohr 12 eingesetzt, dessen freie Länge ein Vielfaches seines Durchmessers beträgt. Das Kapillarrohr 12 ist an seinem im Verbindungsstück festgemachten Ende 13 offen und am anderen Ende 14 geschlossen. Das offene Ende 13 steht mit einem Filter 15 in Verbindung, das in einer konusförmigen Ausnehmung eines Gewindezapfens 16 des Verbindungsstückes 11 eingebaut ist.



  Konzentrisch um das Kapillarrohr 12, das einen Teil eines magnetischen Kreises bildet, ist auf das Verbindungsstück 11 eine zylindrische Hülse 17 aufgesetzt, deren Querschnitt ein Vielfaches desjenigen des Kapillarrohres 12 beträgt. Durch einen Luftspalt 18 vom geschlossenen Ende 14 des Kapillarrohres 12 getrennt, liegt in der Achse des Kapillarrohres 12 als Polstück ein Permanentmagnet 19. Der gegen das geschlossene Ende 14 des Kapillarrohres 12 gerichtete Pol des Permanentmagneten 19 ist kegelstumpfförmig zugespitzt. Das andere Ende des Permanentmagenten 19 ist an einem Joch 20 befestigt, das im Innern der Hülse 17 mit derselben verbunden ist. Das Verbindungsstück 11, die Hülse 17 und das Joch 20 sind aus ferromagnetischem Material gefertigt. Zusammen mit dem Permanentmagneten 19 schliessen diese Teile den magnetischen Kreis ausserhalb des Kapillarrohres 12.



   Auf einem innerhalb der Hülse 17 konzentrisch um das Kapillarrohr 12 angeordneten zylindrischen Spulenträger 21 sind die Wicklungen einer Induktionsspule 22 und einer Erregerspule 23 aufgewickelt. Die Induktionsspule ist in der Nähe des Luftspaltes 18 angeordnet und die Erregerspule 23 in der Nähe des Verbindungsstückes   11.    Der Durchmesser des Spulenträgers 21 ist so gross, dass die im Ruhezustand geradlinige Längsachse des Kapillarrohres 12 unbehinderte Biegeschwingungen mit kleiner Amplitude ausführen kann. Im Innern der Hülse 17 an den voneinander abgekehrten Enden der Induk  tionsspule 22 und der Erregerspule 23 sind kreisringförmige gedruckte Leiterplatten 24 und 25 auf den Spulenträger 21 aufgesetzt. Auf und zwischen diesen beiden Leiterplatten   24    und 25 sind die Bauelemente 26 einer elektronischen Schaltung angeordnet.

   In das dem Verbindungsstück 11 entgegengesetzte Ende der Hülse 7 ist eine Steckerfassung 27 eingesetzt, zu welcher die elektrischen   Speisespannungs und    Ausgangsanschlussleiter 28 der elektronischen Schaltung geführt sind.



   Gemäss Fig. 2 ist in der mit gestrichelten Linien versinnbildlichten Hülse 17 eine elektronische Schaltung 29 untergebracht. Die elektronische Schaltung 29 weist einen Vorverstärker 30, einen Amplitudenbegrenzer 31 und einen Ausgangsverstärker 32 auf und ist mit der Induktionsspule 22 und der Erregerspule 23 zu einem selbstschwingenden System gekoppelt, dessen frequenzbestimmendes Element das Kapillarrohr 12 ist. Die Ruhelage 33 und die Extremlagen 34 und 35 der Längsachse des Kapillarrohres 12 sind strichpunktiert eingezeichnet. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 32 ist auf die Steckerfassung 27 geführt, an welcher ein Frequenzdiskriminator 36 angeschlossen ist, dessen frequenzabhängige Ausgangsspannung einem in Druckeinheiten geeichten elektrischen Anzeigeinstrument 37 zugeführt ist.



   Die Gebrauchs- und Wirkungsweise der beschriebenen Druckmessvorrichtung ist wie folgt: Bewegt sich das geschlossene Ende 14 des Kapillarrohres 12 infolge irgend einer Störung, die beispielsweise ein Einschaltstromstoss oder ein Druckstoss auf das magnetisch bzw. mechanisch nicht exakt symmetrisch ausgebildete System sein kann, aus seiner Ruhelage 33, so ändert sich der magnetische Widerstand des Luftspaltes 18 und folglich auch der magnetische Fluss im gesamten magnetischen Kreis. Durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses wird in den Spulen 22 und 23 eine ihren Windungszahlen proportionale elektrische Spannung induziert.

   Die in der Induktionsspule 22 induzierte Spannung wird mittels der elektronischen Schaltung 29 auf einen begrenzten Wert verstärkt und der Erregerspule 23 so zugeführt dass durch die magnetische Wirkung der Erregerspule 23 auf das Kapillarrohr 12 ein Biegemoment ausgeübt wird, dass sich zu jenem, das von der ursprünglichen Störung herrührt, addiert und eine stärkere Biegung des Kapillarrohres 12 verursacht. Übersteigt das von den elastischen Eigenschaften des Kapillarrohres 12 herrührende   Reaktionsmom. nt    das antreibende Biegemoment, so kehrt die Bewegungsrichtung des geschlossenen Endes 14 des Kapillarrrohres 12 um. Dementsprechend ändert sich auch der magnetische Fluss in der Induktionsspule in entgegengesetzte Richtung, was mit einer Umkehrung der Richtung der induzierten Spannung und des antreibenden Biegemomentes verbunden ist.

   Das derart angestossene und angeregte Kapillarrohr 12 führt nun eine fortdauernde Biegeschwingung aus, die bei kleinen Schwingungsamplituden als zeitlich sinusförmig angenommen werden darf. Die Frequenz der Biegeschwingung stimmt mit einer Eigenfrequenz des einseitig eingespannten Kapillarrohres 12 überein. Die Schwingbedingung ist erfüllt. wenn die Verstärkung der elektronischen Schaltung 29 grösser ist als die Summe der den restlichen Teilen der Schaltung und dem Kapillarrohr 12 innewohnenden Dämpfungen. Damit durch die Biegeschwingung die Elastizitätsgrenze des Kapillarrohr-Materials nicht erreicht wird, und eine festgelegte Amplitudengrösse nicht überschritten wird, ist in der elektronischen Schaltung 29 der Amplitudenbegrenzer 31 zwischen den Vorverstärker 30 und den Ausgangsverstärker 32 geschaltet.



   Wird das Innere des Kapillarrohres 12 mit einem Medium druckbeaufschlagt, dessen Druck höher ist als der ursprüngliche Druck im Kapillarrohr 12, dann nehmen die Steifigkeit bzw. Federkonstante des Kapillarrohres 12 und seine Schwingungsfrequenz zu. Die Frequenzänderung kann folglich als Mass für den im Innern dees Kapillarrohres 12 herrschenden Druck herangezogen werden. Die in der elektronischen Schaltung 29 verstärkten Spannungen sind Wechselspannungen, deren Frequenz doppelt so gross ist wie jene der mechanischen Biegeschwingung des Kapillarrohres 12.



     Der    gemäss Fig. 2 mit dem Ausgang des Ausgangsverstärkers 32 verbundene Frequenzdiskriminator 36 erzeugt bei nicht zu grossen Frequenzänderungen eine zur elektrischen Frequenz proportionale Gleichspan  Ilung,    die von dem in Druckeinheiten geeichten Anzeigeinstrument 37 angezeigt wird.   Übersteigt    die Frequenz änderung einen durch die Dimensionierung des Frequenzdiskriminators 36 festgelegten Wert, so nimmt die frequenzabhängige Gleichspannung in geringerem Mass zu als ursprünglich und wird bei weiter steigender Frequenzänderung schliesslich konstant.



   Die durch die Druckbeaufschlagung bewirkte Änderung der elektrischen Frequenz der Vorrichtung kann gewünschtenfalls zur automatischen Steuerung oder Regelung eines Vorganges herangezogen werden.



   Die beschriebene Vorrichtung weist gegenüber bekannten Druckmessvorrichtungen der gleichen Gattung beträchtliche Vorteile auf: Da Rohre mit gleicher Wandstärke, die unter konstantem Innendruck stehen, umso weniger beansprucht werden, je kleiner ihr Innendurchmesser ist, so ist das mit einfachen Mitteln zu Biegeschwingungen anregbare Kapillarrohr 12 hervorragend zur Messung hoher Drücke geeinget. Da die Druckabhängigkeit der Schwingungsfrequenz verhältnismässig ausgeprägt ist. ist die Messempfindlichkeit hoch. Das schwingende Kapillarrohr 12 wird daher weit unterhalb der Elastizitätsgrenze seines Materials beansprucht, was eine hohe Unempfindlichkeit gegen   Überlast    gewährleistet. Das bedeutet, auch bei grosser Überlast treten kaum bleibende Deformationen des Messystems auf. Die Reproduzierbarkeit der Messresultate bleibt daher erhalten.



  Infolge der nichtlinearen Charakteristik des Frequenzdiskriminators 36 ist auch das Anzeigeinstrument 37 gegen dauernde Überlast geschützt. Ferner sind sowohl der mechanische Teil als auch die elektronische Schaltung 29 einfach im Aufbau, und die von der Hülse 17 und dem Verbindungsstück 11 umschlossene Vorrichtung ist   verhältnismässig    kompakt.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Vorrichtung zur Messung des Druckes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Ermittlung der linderung der mechanischen Schwingungsfrequenz eines in Eigenschwingung versetzbaren, einseitig geschlossenen hohlzylindrischen Schwingungskörpers, dessen Inneres vom Medium druckbeaufschlagt ist. und der einen Teil eines magnetischen Kreises bildet, dem eine Induktionsspule und eine Erregerspule zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet. dass der Schwingungskörper ein Rohr (12) ist, dessen Länge ein Vielfaches seines Durchmessers beträgt, und die übrigen Teile des magnetischen Kreises ausserhalb des Rohres (12) unter Zwischenan ordnung mindestens eines Luftspaltes (18) angeordnet sind, derart, dass die in Ruhezustand geradlinige Längsachse (33) des Rohres (12) in Biegeschwingungen erregbar ist.

   UNTERANSPROCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr ein Kapillarrohr (12) ist.

   2. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) an seiner offenen Endpartie (13) festgehalten ist und der Luftspalt (18) sich im Bereich der freien, geschlossenen Endpartie (14) des Rohres (12) befindet.

   3. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im magnetischen Kreis mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist.

   4. Vorrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem geschlossenen Ende (14) des Rohres (12) unmittelbar benachbarte Teil des magnetischen Kreises ein kegelstumpfförmig zugespitztes Polstück (19) ist, dessen Achse in der Längsachse des Rohres (12) liegt, und die gegen das Rohr (12) gerichtete Spitze des Polstückes (19) durch den Luftspalt (18) vom geschlossenen Ende (14) des Rohres (12) getrennt ist.

   5. Vorrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende (13) des Rohres (12) in einem Verbindungsstück (11) befestigt ist, auf dass eine Hülse (17) aufgesetzt ist, deren Querschnittsfläche ein Vielfaches der Querschnittsfläche des Rohres (12) beträgt, und dass das Polstück (19) im Innern der Hülse (17) an einem mit derselben verbundenen Joch (20) befestigt ist.

   6. Vorrichtung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12), das Verbindungsstück (11), die Hülse (17) und das Joch (20) aus ferromagnetischem Material gefertigt sind und das Polstück (19) ein Permanentmagnet ist.

   7. Vorrichtung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (22) und die Erregerspule (23) konzentrisch um das Rohr (12) angeordnet sind, derart dass die Induktionsspule (22) sich näher beim Luftspalt (18) befindet als die Erregerspule (23).

   8. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (22) und die Erregerspule (23) über eine elektronische Schaltung (29) zu einem selbstschwingenden System gekoppelt sind, dessen frequenzbestimmendes Element das Kapillarrohr (12) ist, und die Bauelemente (26) der elektronischen Schaltung (29) im Innern der Hülse (17) angeordnet sind.

   9. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ausgang der elektronischen Schaltung (29) eine Druckanzeige-Einrichtung (36, 37) oder Steuer- oder Regeleinrichtungen angeschaltet sind.