CH664630A5 - Druckaufnehmer. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer, mit zumindest einem in einem Gehäuse angeordneten Messelement sowie einer das Gehäuse gegen das zu vermessende Medium abdichtenden Membrane, welche mit dem Messelement zur Übertragung des zu messenden Druckes in Verbindung steht und an der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite eine den biegsamen Bereich der Membrane zumindest teilweise übergreifende, im Bereich des Mittelteils der Membrane an dieser befestigte und von dort aus in radialer Richtung frei bewegliche Thermoschutzscheibe aufweist.

Derartige Druckaufnehmer, wie sie beispielsweise aus der AT-PS 264 156 oder auch aus der DE-OS 3 026 617 bekannt sind, werden vorwiegend zur Druckmessung an Medien mit stark wechselnden Temperaturbelastungen, beispielsweise in Brennräumen von Verbrennungskraftmaschinen, Raketen, Explosionskammern usw., verwendet. Infolge der Tatsache, dass die das Gehäuse gegen das zu vermessende Medium abdichtende Membrane einerseits mit dem Gehäuse des Druckaufnehmers und andererseits mit dem Messelement selbst unmittelbar kraftschlüssig in Verbindung steht, wirken sich Spannungsänderungen in der Membrane, beispielsweise hervorgerufen durch das Auftreten von plötzlichen Temperaturstössen während des Messvorganges, unmittelbar in einer Änderung der auf das Messelement wirkenden Kraft und somit in einem Fehler in der eigentlichen Druckmessung aus.

Um die Auswirkungen dieser Temperaturstösse, die sogenannte Temperaturschockdrift, möglichst auszuschalten ist es aus den genannten Druckschriften bekannt, eine Thermoschutzscheibe an der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite vorzusehen, welche zumindest die thermisch höchstbeanspruchten Teile der Membrane übergreift, jedoch zu diesen einen relativ grossen Spalt aufweist. Bei derartigen Anordnungen ist das Kompensationsverhalten gegenüber Temperaturstössen, durch Verhinderung der direkten Umsetzung von derartigen Temperaturstössen in Spannungsänderungen der Membrane, in hohem Masse davon abhängig, ob bzw. bis zu welchem Grade der Spalt zwischen Thermoschutzscheibe und Membrane bereits verunreinigt ist, was im Messbetrieb nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Ausbildung ist dadurch gegeben,

dass bei der Bewegung der Membrane im Messbetrieb insbesondere bei höherfrequenten Druckschwankungen ziemliche Gasaustauschbewegungen in den und aus dem Spalt auftreten, die unter Umständen die Temperatur der Membrane zusätzlich sehr aufschaukeln können.

Weiters ist beispielsweise aus der AT-PS 258 610 ein Druckaufnehmer bekannt, bei dem die Thermoschutzscheibe direkt und auf nicht näher bezeichnete Weise an der Aussensei-te der Membrane bzw. in einer an der Aussenseite vorgesehenen Vertiefung befestigt ist, womit im wesentlichen keine zufriedenstellende Lösung des genannten Problems erzielt werden kann, da bei Auftreten von Temperaturstössen auftretende kurzzeitige Dehnungen in der Thermoschutzscheibe voll auf die Membrane übertragen werden, was eine zufriedenstellende Kompensation der Temperaturschockdrift unmöglich macht.

Zu beispielsweise aus der DE-OS 1 648 551 bekannten Druckaufnehmern ist als wesentlicher Nachteil anzuführen,

dass dort eine relativ kompliziert ausgebildete Thermoschutzscheibe in einen eigens an der Aussenseite der Membrane angebrachten Tragering eingesetzt wird, wobei die Thermoschutzscheibe nur an ihrem Rand in Zusammenwirkung mit diesem Tragering gehalten wird. Dabei ergeben sich naturgemäss grosse Probleme mit im Betrieb des Druckaufnehmers auftretenden Dehnungen der einzelnen Bauteile relativ zueinander, was auch bei grösster Genauigkeit in den Bearbeitungstoleranzen kaum beherrschbare Probleme im praktischen Messbetrieb ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile der bekannten Druckaufnehmer zu vermeiden und insbesondere einen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die negativen Auswirkungen der Temperaturschockdrift auf einfache und zuverlässige Weise beseitigt werden können und dass besonders auch die Nachteile, die sich durch eine Verkokung bzw. Verschmutzung eines Spalts zwischen Thermoschutzscheibe und Membrane ergeben können, ausgeschaltet sind.

Dies wird gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass die Thermoschutzscheibe in ihrem radial frei beweglichen Bereich unmittelbar an der Oberfläche des biegsamen Bereiches der Membrane anliegt. Da die Befestigung der die aussenliegende Membranoberfläche zumindest teilweise übergreifenden, dünnen Thermoschutzscheiben nur in der Membranmitte erfolgt, können sich durch Temperaturstösse hervorgerufene Dehnungen in der Thermoschutzscheibe nur in dieser selbst durch eine entsprechende Deformation in radialer Richtung auswirken; die dahinter liegende Membrane bleibt von derartigen Temperaturstössen unbeeinflusst. Über eine Variation der Grösse bzw. Ausdehnung sowie der unter Umständen auch nicht durchgehend gleichmässigen Dicke der Thermoschutzscheibe kann die Kompensationswirkung beeinfhisst werden, was bei der Entwicklung neuer Druckaufnehmer eine optimale Anpassung an die speziellen Gegebenheiten erlaubt. Die dünne, vorzugsweise metallische Thermoschutzscheibe liegt am flexiblen Teil der Membrane direkt an und verformt sich somit im Messbetrieb mit der Membrane. Da gegenüber der Membranoberfläche eine freie radiale Bewegung ermöglicht ist, lässt sich eine sehr gute lineare Charakteristik des Einflusses der Membrane auf die Messung sicherstellen. Dabei sind aber durch die Vermeidung eines Spalts zwischen Thermoschutzscheibe und beweglichem Bereich der Membrane auf alle Fälle die durch die mögliche Verschmutzung des Spalts bzw. die Gaswechselbewegungen sich ergebenden Nachteile vermieden.

Die Thermoschutzscheibe kann auch an ihrer der Membrane zugewandten Seite eine wärmeisolierende Schutzschicht aufweisen, was eine zusätzliche Sicherheit gegen das Auftreten der Temperaturschockdrift bietet. Diese Schutzschicht kann z.B. fest mit dem/den anderen Teil(en) der Thermoschutzscheibe

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verbunden, oder aber auch als lose eingelegte Scheibe ausgebildet sein.

Weiters könnte die Thermoschutzscheibe auch aus mehreren Schichten bestehen, welche sich ggf. hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Temperaturdehnung, bzw. Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. Auf diese Weise kann die Kompensation von auftretenden Temperaturstössen während der Messung mit dem Druckaufnehmer bereits im Aufbau der Thermoschutzscheibe entsprechend verfeinert werden.

Die Thermoschutzscheibe und/oder der von dieser nicht bedeckte äussere Rand der Membrane können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an der dem zu vermessenden Medium zugewandten Seite eine Beschichtung aus wärmedämmendem Material aufweisen, wodurch ebenfalls die Temperaturschockdrift verringert wird.

Weiters kann die Thermoschutzscheibe nach einer anderen Ausbildung der Erfindung zur Verminderung der Biegesteifig-keit mit Ausnehmungen und/oder Eindrehungen versehen sein, wodurch allfällige Beeinflussungen der Gebercharakteristik durch die aufgesetzte Thermoschutzscheibe verhindert bzw. zumindest auf ein nicht störendes Ausmass verringert werden können.

Schliesslich kann nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Thermoschutzscheibe, in an sich z.B. aus der genannten AT-PS 258 610 bekannter Weise, in einer Eindrehung an der Membranstirnseite unter Bildung einer im wesentlichen ebenen Aussenfläche angeordnet sein, wodurch eine kleine Wärmeübertragungsfläche erreicht und eine unzulässige Beeinflussung des zu vermessenden Vorganges weitgehend verhindert wird. Die freie radiale Beweglichkeit von der Befestigung an der Membrane aus muss natürlich nach wie vor gegeben sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die

Fig. 1 bis 4 jeweils einen teilweisen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Druckaufnehmers im Bereich der Membrane zeigen;

Fig. 5 zeigt im linken und rechten Teil zwei weitere, unterschiedliche Ausführungsformen nach der Erfindung und

Fig. 6 zeigt eine Ansicht auf die beiden Ausführungsformen nach Fig. 5 entlang des Pfeiles VI.

Die allen Ausführungsbeispielen gemeinsamen Bauteile sind das Gehäuse 1, die am vorderen Ende 2 des Gehäuses 1 angeordnete Membrane 3, welche den Innenraum 4 des Gehäuses 1 gegen das zu vermessende Medium abdichtet, sowie das Messelement 5, dessen spezielle Ausbildung und Anordnung nicht weiter interessant und daher auch nicht dargestellt ist. Die Membrane 3 steht mit dem Messelement 5 über ihren Mittelteil

6 zur Übertragung des zu messenden Druckes bzw. der davon resultierenden Kraft in Verbindung und weist weiters an der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite eine an der Membranoberfläche anliegende und diese zumindest teilweise übergreifende Thermoschutzscheibe 7 auf, welche im Bereich des Mittelteils 6 der Membrane 3 an dieser befestigt und von dort aus in radialer Richtung frei beweglich ist.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist die Thermoschutzscheibe

7 mit einer zentralen Bohrung 8 versehen, welche auf einem entsprechenden Ansatz des Mittelteils 6 aufsitzt; die Befestigung erfolgt mittels einer Schweissnaht 9, welche den Mittelteil 6 der Membrane 3 mit der Thermoschutzscheibe 7 im Bereich der Bohrung 8 verbindet. Von der Schweissnaht 9 ausgehend ist die Thermoschutzscheibe 7 in radialer Richtung gegenüber der Oberfläche der Membrane 3 frei beweglich, wodurch beim Auftreten von kurzzeitigen Temperaturstössen vom zu messenden Medium her lediglich Dehnungen in der Thermoschutzscheibe 7 auftreten können, die ohne Einfluss auf die Spannung der Membrane selbst sind. Es kann also damit sichergestellt werden, dass die von der Membrane 3 bzw. deren Mittelteil 6 auf das Messelement 5 ausgeübten Kräfte tatsächlich nur druckproportional sind und nicht von Temperaturstössen im zu vermessenden Medium verfälscht werden.

Falls erforderlich kann der Innenraum 4 des Gehäuses 1 mit einem geeigneten Kühlmedium durchspült werden, was die Verwendung des gesamten Druckaufnehmers auch für Messungen an Medien mit hoher Temperatur gestattet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist die Thermoschutzscheibe 7 an ihrer der Membrane 3 zugewandten Seite eine wärmeisolierende Schutzschicht 10 auf, die die Wärmeübertragung von der dem zu vermessenden Medium zugewandten Seite der Thermoschutzscheibe 7 zur Membrane 3 zusätzlich verhindert und damit die Kompensation der Temperaturschockdrift weiter verbessert. Ausserdem ist hier zur Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 gegenüber dem Mittelteil 6 der Membrane 3 ein vom Messelement 5 bzw. der hier nicht eigens dargestellten Aufnahmeeinrichtung für das Messelement ausgehender Zapfen 11 vorgesehen, der an seinem vorderen Ende einen Linsenkopf 12 trägt, mit dem die Thermoschutzscheibe 7 gegen den Mittelteil 6 der Membrane 3 verspannt ist. Im übrigen gelten auch hier die bereits zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gemachten Ausführungen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht die Thermoschutzscheibe 7 aus mehreren einzelnen Schichten 13,14, welche sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit, ihrer Temperaturdehnung, ihrer Wärmeleitfähigkeit oder anderer geeigneter Eigenschaften unterscheiden können, wobei die einzelnen Schichten entweder aneinander befestigt oder — abgesehen von der gemeinsamen Befestigung am Mittelteil 6 der Membrane 3 — gegeneinander frei beweglich sein können. Die Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 am Mittelteil 6 der Membrane 3 erfolgt beispielsweise durch Elektronenstrahl-schweissung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 weist die Thermoschutzscheibe 7 sowie der von dieser nicht bedeckte äussere Rand 15 der Membrane 3 an der dem zu vermessenden Medium zugewandten Seite eine Beschichtung 16 aus wärmedämmendem Material auf, was ebenfalls sehr günstig die Temperaturschockdrift verringert. Ausserdem ist hier die Thermoschutzscheibe 7 in einer Eindrehung 17 an der Membranstirnseite angeordnet, wodurch im wesentlichen eine ebene Aussenfläche des dem zu vermessenden Medium zugewandten vorderen Endes des Druckaufnehmers erreicht ist, was im Messbetrieb sehr günstig ist. Die Befestigung der Thermoschutzscheibe 7 erfolgt auch hier wiederum im Bereich des Mittelteils 6 der Membrane durch Elektronenstrahlschweissung, wobei hier die Schweissstellen 18 bis zu dem das Messelement 5 aufnehmenden Bauteil durchgezogen sind.

Bei der in Fig. 5 links dargestellten Ausführungsform ist die Thermoschutzscheibe 7 zur Verminderung ihrer Biegesteifigkeit mit Eindrehungen 19 versehen, welche konzentrisch um die Achse 20 des Druckaufnehmers angeordnet sind. Bei der in Fig. 5 rechts dargestellten Ausführung sind zum gleichen Zwecke Ausnehmungen 21 in der Thermoschutzscheibe 7 angeordnet, welche ebenfalls konzentrisch um die Achse 20 verlaufen. Bezüglich der übrigen Merkmale dieser Ausführungen sei hier nur auf das bereits zu Fig. 4 Angemerkte verwiesen.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass abgesehen von den dargestellten und besprochenen Formen der Membrane und der Thermoschutzscheibe im Rahmen der Erfindung auch durchaus andere Ausführungen gewählt werden können, sofern es nur sichergestellt ist, dass die im Bereich des Mittelteils der Membrane befestigte Thermoschutzscheibe — deren äussere Form und Abmessung den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden kann — von ihrer Befestigungsstelle aus in radialer Richtung frei beweglich ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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1. Druckaufnehmer, mit zumindest einem in einem Gehäuse angeordneten Messelement sowie einer das Gehäuse gegen das zu vermessende Medium abdichtenden Membrane, welche mit dem Messelement zur Übertragung des zu messenden Druckes in Verbindung steht und an der dem zu vermessenden Medium ausgesetzten Seite eine den biegsamen Bereich der Membrane zumindest teilweise übergreifende, im Bereich des Mittelteils der Membrane an dieser befestigte und von dort aus in radialer Richtung frei bewegliche Thermoschutzscheibe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschutzscheibe (7) in ihrem radial frei beweglichen Bereich unmittelbar an der Oberfläche des biegsamen Bereiches der Membrane (3) anliegt.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschutzscheibe (7) und/oder der von dieser nicht bedeckte äussere Rand (15) der Membrane (3) an der dem zu vermessenden Medium zugewandten Seite eine Be-schichtung (16) aus wärmedämmendem Material aufweist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschutzscheibe (7) zur Verminderung der Biegesteifigkeit mit Ausnehmungen (21) und/oder Ein-drehungen (19) versehen ist.

4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschutzscheibe (7) in einer Eindrehung (17) an der Membranstirnseite unter Bildung einer im wesentlichen ebenen Aussenfläche angeordnet ist.