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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdruckgeber gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
solcher Differenzdruckgeber wird verwendet, um die Differenz zwischen
einem Druck A und einem Druck B, mit welchen eine erste und eine zweite
Druckkammer des Differenzdruckgebers beaufschlagt werden, zu messen,
und üblicherweise
in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
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Aus
dem Stand der Technik ist dabei der in 1 gezeigte
Differenzdruckgeber bekannt, bei welchem ein Kolben 25 zwischen
zwei Druckkammern 21 und 22 verschiebbar gelagert
ist. Der Kolben 25 wird mittels zweier Federteller 25 zentriert,
welche sowohl auf dem Kolben 25 als auch im Gehäuse 31 axial
Anschlag finden. Dabei sind die Federteller axial auf dem Kolben 25 verschiebbar
und über
eine Feder 23 vorgespannt. Wird der Kolben aufgrund einer Druckaufbringung
auf die Druckkammer 23 nach rechts ausgelenkt, so bewegt
sich der linke Federteller mit dem Kolben mit und komprimiert die
Feder 23, während
der rechte Federteller in seiner Position verharrt. Umgekehrt wird
bei einer Auslenkung des Kolbens 25 nach links der rechte
Federteller mit dem Kolben mitbewegt, während der linke Federteller
in seiner Position bleibt.
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Dieses
Funktionsprinzip führt
zu der in 2 gezeigten Kennlinie, bei der
sich ein Schwellwert im Nulldruckbereich zeigt, da die Feder zur
Erlangung einer eindeutigen Position mit Vorspannung einzubauen
ist. Diese Vorspannung der Feder muss aber vom Differenzdruck erst überwunden
werden, bevor sich der Kolben bewegt. Weiterhin zeigt sich eine deutlich
geringere Kennliniensteigerung im Nulldruckbereich, da Schraubenfedern
nur im Bereich von 30 bis 70 % ihres Hubes eine lineare Kennlinie aufweisen.
Zudem zeigt sich bei zyklischer Differenzdruckaufbringung aufgrund
der Reibung eine Schleife, das heißt der Differenzdruckgeber
nach dem Stand der Technik besitzt eine große Hysterese. Diese große Hysterese
wird insbesondere dadurch verursacht, dass die Schraubenfedern nicht
nur Längskräfte, sondern
auch Querkräfte
erzeugen, welche im vorliegenden Einbaufall zu einer Verspannung
von Federtellern und Kolben führt.
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Die
Kennliniensteigung und somit auch die Gebergenauigkeit wird dabei
von der Fertigungsgüte der
Feder bestimmt, so dass sich bei entsprechenden Anforderungen an
die Genauigkeit eine sehr kostenintensive Federherstellung ergibt.
Zudem ergibt sich durch die große
Hysterese ein großer
Meßfehler.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Differenzdruckgeber
zur Verfügung zu
stellen, bei welchem der abgegebene Messwert möglichst proportional zum angelegten
Differenzdruck ist und bei welchem die Hysterese möglichst gering
ist. Darüber
hinaus sollte dies mir einer möglichst
preiswerten Konstruktion erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe von einem Differenzdruckgeber gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein
solcher Differenzdruckgeber weist eine erste und eine zweite Druckkammer
und ein mit der ersten und der zweiten Druckkammer in Verbindung
stehendes Bewegungselement auf, welches bei einer Auslenkung in
eine erste Richtung das Volumen der ersten Kammer vergrößert und
das Volumen der zwei ten Kammer verkleinert, während es bei einer Auslenkung
in eine zweite Richtung das Volumen der ersten Kammer verkleinert
und das Volumen der zweiten Kammer vergrößert. Zudem weist der erfindungsgemäße Differenzdruckgeber
einen Messwertgeber auf, welcher die Auslenkung des Bewegungselements
misst. Erfindungsgemäß ist der
Differenzdruckgeber dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei
elastische Elemente vorgesehen sind, von denen das erste das Bewegungselement
in die erste Richtung vorspannt und das zweite das Bewegungselement
in die zweite Richtung vorspannt.
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Hierdurch
kann ein Schwellwert im Nulldruckbereich vermieden werden, da sich
die von den zwei elastischen Elementen auf das Bewegungselement
ausgeübten
Kräfte
bei gleichen Drücken
A und B ausgleichen und so schon bei einer minimalen Druckdifferenz
eine Auslenkung des Bewegungselements aus seiner Nulldruckstellung
erzeugt wird. Wird dabei an die erste Kammer ein größerer Druck angelegt
als an die zweite Kammer, wird das Bewegungselement in die erste
Richtung gegen die von dem zweiten elastischen Element auf das Bewegungselement
ausgeübte
Kraft ausgelenkt. Hierzu muss jedoch die Vorspannung des zweiten
elastischen Elements nicht erst überwunden
werden, weil sie von der Vorspannung durch das erste elastische Element
bereits ausgeglichen wird. So ergibt sich bereits im Nulldruckbereich
bzw. bei sehr kleinen Drücken
eine gute Linearität.
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Vorteilhafterweise
ist dabei die Volumenänderung
in der ersten Druckkammer bei einer Auslenkung des Bewegungselements
umgekehrt proportional zu der entsprechenden Volumenänderung
in der zweiten Druckkammer. Auch dies verbessert die Linearität des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers.
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Weiterhin
vorteilhafterweise ist dabei der Absolutwert der Volumenänderung
in der ersten Druckkammer bei einer Auslenkung des Bewegungselements
gleich dem Absolutwert der entsprechenden Volumenänderung
in der zweiten Druckkammer, d.h. bei Vergrößerung des Volumens der ersten
Kammer um einen gewissen Wert verkleinert sich das Volumen der zweiten
Kammer um den gleichen Wert und umgekehrt.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Bewegungselement des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers einen
Kolben. Weiterhin vorteilhafterweise steht dieser Kolben mit einem
ersten Ende mit der ersten Druckkammer in Verbindung und mit einem
zweiten Ende mit der zweiten Druckkammer in Verbindung, so dass
eine Auslenkung des Kolbens die Volumina in den beiden Druckkammern
erfindungsgemäß verändert.
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Ein
solcher Kolben wird dann vorteilhafterweise linear verschiebbar
zwischen den beiden Druckkammern gelagert, so dass eine Verschiebung des
Kolbens die erfindungsgemäßen Veränderungen der
Volumina der Druckkammern hervorruft. Eine Proportionalität der Volumenänderung
in den beiden Druckkammern wird bei Verwendung eines Kolbens z.
B. dadurch erreicht, dass der Querschnitt der mit den Druckkammern
in Verbindung stehenden Enden des Kolbens jeweils konstant ist.
Haben die jeweils mit den Druckkammern in Verbindung stehenden Enden
des Kolbens die gleiche Bauform, wird erreicht, dass der Absolutwert
der Volumenänderungen
in den jeweiligen Druckkammern bei einer Auslenkung des Kolbens
gleich ist.
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Werden
statt eines Kolbens mit zwei Enden, welche jeweils mit einer der
Druckkammern in Verbindung stehen, z. B. zwei getrennte Kolben eingesetzt,
welche jeweils nur mit einer Kammer in Verbindung stehen, bezieht
sich das auf die beiden Enden des Kolbens gesagte auf die jeweils
mit den Druckkammern in Verbindung stehenden Enden der zwei Kolben.
Bei einer solchen Anordnung ist es zudem von Vorteil, wenn die Auslenkung
des einen Kolbens linear zur Auslenkung des anderen Kolbens ist.
Insbesondere wenn die jeweils mit den Druckkammern in Verbindung
stehenden Enden der Kolben baugleich sind, ist es weiterhin von
Vorteil, wenn eine entsprechende Auslenkung des ersten Kolbens aus
der ersten Druckkammer heraus die gleiche Auslenkung des zweiten
Kolbens in die zweite Druckkammer hinein hervorruft und umgekehrt.
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Vorteilhafterweise
befinden sich die elastischen Elemente in einer Nullstellung des
Bewegungselements im linearen Bereich ihrer Kennlinie, so dass die
von den elastischen Elementen im Bereich um die Nullstellung des
Bewegungselements auf dieses ausgeübten Kräfte linear zur Auslenkung des
Bewegungselementes aus der Nullstellung sind. Hierdurch ergibt sich
zumindest im Nulldruckbereich eine lineare Kennlinie des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers.
Insbesondere ist es dazu vorteilhaft, wenn die elastischen Elemente
und das Bewegungselement so aufeinander abgestimmt sind, dass die
Volumenänderung
in den Druckkammern linear zu der vom Meßwertgeber gemessenen Auslenkung des
Bewegungselementes sind.
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Da
das Bewegungselement von den elastischen Elementen in die erste
und die zweite Richtung vorgespannt ist, kann diese Vorspannung
so gewählt werden,
dass sich die elastischen Elemente in der Nullstellung des Bewegungselements
im linearen Bereich ihrer Kennlinie befinden. Es kann also auf günstige elastische
Elemente zurückgegriffen
werden, welche nur in einem Teilbereich ihrer Ausdehnung eine lineare
Beziehung zwischen der von ihnen ausgeübten Kraft und ihrer Ausdehnung
aufweisen, da sie durch Einstellung der entsprechenden Vorspannung
in den linearen Bereich ihrer Kennlinie gebracht werden können.
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Weiterhin
vorteilhafterweise befinden sich die Elastischen Elemente über den
gesamten Auslenkungsbereich des Bewegungselements im linearen Bereich
ihrer Kennlinie. Hierdurch ist über
den gesamten Messbereich des Differenzdruckgebers eine lineare Beziehung
zwischen dem tatsächlichen Differenzdruck
und dem gemessenen Wert gegeben. Wiederum muss hier nicht auf teure
elastische Elemente zurückgegriffen
werden, da der Auslenkungsbereich des Bewegungselementes lediglich
so auf die elastischen Elemente abgestimmt werden muss, dass sie
in diesem Auslenkungsbereich eine lineare Kennlinie aufweisen. Außerhalb
des Auslenkungsbereichs des Bewegungselementes kann die Kennlinie der
elastischen Elemente damit von einer linearen Kennlinie abweichen.
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Vorteilhafterweise
weisen dabei die mindestens zwei elastischen Elemente die gleiche
Kennlinie auf, was die Gebergenauigkeit werter erhöht.
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Weiterhin
vorteilhafterweise sind die elastischen Elemente dabei baugleich.
So ergibt sich auf einfache Art und Weise eine hervorragende Linearität.
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Weiterhin
vorteilhafterweise umfassen die elastischen Elemente Federn. Die
im erfindungsgemäßen Differenzdruckgeber
eingesetzten Federn können
dabei relativ günstig
hergestellt werden, da sie nicht mehr wie im Stand der Technik über ihren gesamten
Hubbereich eine lineare Kennlinie aufweisen müssen, sondern nur noch in dem
tatsächlich verwendeten
Teilbereich.
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Vorteilhafterweise
umfassen die elastischen Elemente dabei jeweils zwei konzentrische
Spiralfedern. Vorteilhafterweise dient dabei die eine Feder als
Hauptfeder, während
die andere Feder, vorteilhafterweise die kleinere, zur Einstellung
der Gesamtfederrate dient, indem die Feder aus einer Auswahl von Federn
gestufter Federraten ausgewählt
wird.
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Weiterhin
vorteilhafterweise sind die eingesetzten Federn des ersten und des
zweiten elastischen Elements dabei baugleich, so dass sich ein identisches
Messverhalten bei positivem und negativem Differenzdruck ergibt.
Insbesondere bei Verwendung eines Kolbens mit zwei baugleichen Enden
ergibt sich so eine symmetrische Messkurve.
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Weiterhin
vorteilhafterweise umfasst der Messwertgeber des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers
einen Wandler und ein mit dem Bewegungselement verbundenes Wandlerelement.
Vorteilhafterweise wandelt der Wandler dabei eine Bewegung des Wandlerelements
in ein elektrisches Signal um. Dies kann z. B. durch die Verwendung
von Magnetfeldsensoren als Wandler und einem Element mit wechselnder
Magnetisierung oder wechselnder magnetischer Suszeptibilität als Wandlerelement
erfolgen.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Wandlerelement dabei eine Wandlerstange, deren Linearbewegung
von dem Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
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Insbesondere
bei Verwendung eines Kolbens ergibt sich so eine einfache Anordnung.
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Vorteilhafterweise
sind dabei der Kolben und die Wandlerstange koaxial hintereinander
angeordnet, so dass die Linearbewegungen des Kolbens und der Wandlerstange
identisch sind.
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Vorteilhafterweise
sind das Bewegungselement, die elastischen Elemente und eventuell
das Wandlerelement über
Gelenke miteinander verbunden. Diese Gelenke dienen insbesondere
der reibungsarmen Übertragung
der Bewegung der elastischen Elemente in die erste und zweite Richtung
auf das Bewegungselement und eventuell auf das Wandlerelement. Zudem
ermöglichen
die Gelenke vorteilhafterweise, dass die Kräfte, welche von den elastischen
Elementen quer zur ersten und zur zweiten Richtung erzeugt werden,
nicht auf das Bewegungselement übertragen
werden, so dass eine Verfälschung
des Messergebnisses durch solche Querkräfte vermieden werden kann.
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Vorteilhafterweise
ermöglichen
die Gelenke dabei eine Rotationsbewegung des Bewegungselements,
der elastischen Elemente und eventuell des Wandlerelements gegeneinander.
Insbesondere bei der Verwendung von Spiralfedern kann so verhindert werden,
dass die von den Spiralfedern erzeugten Querkräfte eine Verspannung der Federn
gegenüber dem
Kolben erzeugen und so die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers
verschlechtern würden.
Vorteilhafterweise können
hierzu Kugelgelenke verwendet werden.
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Weiterhin
vorteilhafterweise kann der bei gleichen Drücken A und B in der ersten
und der zweiten Druckkammer von dem Messwertgeber abgegebene Wert über ein
Einstellelement eingestellt werden. So kann der bei Nulldifferenzdruck
geforderte Wert über
das Einstellelement eingestellt werden. Vorteilhafterweise kommt
hierzu eine Einstellschraube zum Einsatz, welche eine stufenlose
Einstellung ermöglicht.
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Weiterhin
vorteilhafterweise sind die elastischen Elemente, der Kolben und
eventuell die Wandlerstange koaxial hintereinander angeordnet. So
ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.
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Vorteilhafterweise
kann dabei die Länge
der Anordnung aus elastischen Elementen, Kolben und eventuell Wandlerstange über ein
Einstellelement, und dabei vorteilhafter über eine Einstellschraube, eingestellt
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
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1:
einen Differenzdruckgeber gemäß dem Stand
der Technik,
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2:
die Kennlinie des Differenzdruckgebers gemäß dem Stand der Technik,
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3:
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers
und
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4:
die Kennlinie des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers.
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Der
in 1 gezeigte Differenzdruckgeber gemäß dem Stand
der Technik wurde bereits weiter oben beschrieben, ebenso wie die
in 2 gezeigte Kennlinie dieses Differenzdruckgebers
mit dem Schwellwert im Nulldruckbereich, der Nichtlinearität der Kennlinie
sowie der ausgeprägten
Hysterese.
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In 3 ist
dagegen ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Differenzdruckgebers gezeigt.
Dieser umfasst ein Gehäuse 11,
in welchem eine erste Druckkammer 1 und eine zweite Druckkammer 2 angeordnet
sind, welche mit Drücken
A und B beaufschlagt werden können.
Zwischen der ersten und der zweiten Druckkammer ist linear verschieblich
ein als Bewegungselement dienender Kolben 5 angeordnet.
Der Kolben 5 ist dabei symmetrisch aufgebaut, wobei ein
erstes En de des Kolbens 5 mit der ersten Druckkammer 1,
und ein zweites Ende des Kolbens 5 mit der zweiten Druckkammer 2 in
Verbindung steht. Die Enden des Kolbens 5 reichen dabei
jeweils in die Druckkammern 1 und 2 hinein. Wird
der Kolben 5 im Ausführungsbeispiel
also nach rechts bewegt, vergrößert sich
das Volumen der Druckkammer 1, während sich das Volumen der Druckkammer 2 um
den gleichen Wert verringert. Bei einer Auslenkung des Kolbens 5 nach
links ist es genau umgekehrt. Erfindungsgemäß ist nun ein erstes elastisches
Element 3 vorgesehen, welches den Kolben 5 nach
rechts vorspannt, sowie ein zweites elastisches Element 4,
welches den Kolben 5 nach links vorspannt.
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Die
elastischen Elemente 3 und 4 sind dabei baugleich
und aus jeweils zwei Spiralfedern 12 und 13 aufgebaut.
Die größere Spiralfeder 12 dient
dabei als Hauptfeder, während
die kleinere Spiralfeder 13 zur Einstellung der Gesamtfederrate
dient, indem sie aus einer Auswahl von Federn gestufter Federraten ausgewählt wird.
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Zwischen
dem Kolben 5 und dem zweiten elastischen Element 4 befindet
sich die Wandlerstange 7, deren Linearbewegung von dem
um die Wandlerstange 7 angeordneten Wandler 6 in
ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Wandlerstange 7 ist
dabei linear verschiebbar über
ein Radiallager in einer Passage gelagert, weiche einen Teil der
Druckkammer 2 bildet. Hierzu weist das Radiallager eine Passage
für das
unter Druck stehende Fluid auf.
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Die
elastischen Elemente 3 und 4, der Kolben 5 und
die Wandlerstange 7 sind dabei jeweils über Kugelgelenke 10 so
miteinander verbunden, dass jeweils nur Kräfte in die Bewegungsrichtungen des
Kolbens 5, d.h. von links nach rechts oder von rechts nach
links, übertragen
werden können.
Von den elastischen Elementen 3 und 4 eventuell
erzeugte Querkräfte
werden so nicht auf den Kolben oder die Wandlerstange 7 übertragen,
so dass sich keine Verspannungen bilden und die Reibung minimiert wird.
Die als elastische Elemente 3 und 4 dienenden Federpakete
sind zudem über
Kugelgelenke 10 mit dem Gehäuse verbunden.
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Darüber hinaus
ist eine als Einstellelement dienende Einstellschraube 9 vorgesehen.
Diese ist in das Gehäuse 11 eingeschraubt,
so dass das rechte Federpaket 4 sich auf der Einstellschraube 9 abstützt. Dies
geschieht wiederum über
ein Kugelgelenk 10.
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Durch
Drehen der Einstellschraube 9 kann so die Länge der
Anordnung aus Federpaketen 3 und 4, Kolben und
Wandlerstange 7 eingestellt werden. Da die Einstellschraube
am rechten Ende dieser Anordnung aus linkem Federpaket 3,
Kolben 5, Wandlerstange 7 und rechtem Federpaket 4 angeordnet ist,
wird durch ein Einschrauben der Einstellschraube 9 die
Wandlerstange 7 nach links bewegt, da die identisch aufgebauten
Federpakete 3 und 4 jeweils in gleichem Maße zusammengedrückt werden.
So kann der bei einem Nuildifferenzdruck angezeigte Wert des als
Messwertgeber dienenden Wandlers und der Wandlerstange eingestellt
werden, indem die Position der Wandlerstange gegenüber dem
Wandler 6 verändert
wird. Hierüber
wird auch die von den Federpaketen 3 und 4 auf
den Kolben 5 ausgeübte
Vorspannung verändert,
was aber den Proportionalitätskoeffizienten
zwischen Differenzdruck und abgegebenem elektrischen Signal des
Wandlers solange nicht verändert,
wie die elastischen Elemente im linearen Bereich ihrer Kennlinie
bleiben, da sich die Vorspannung der beiden elastischen Elemente
ausgleicht.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdruckgeber hat
nun die in 4 gezeigte Kennlinie. Diese
ist über
den gesamten Differenzdruckbereich linear und weist nur eine minimale
Hysterese auf. Damit ist das abgegebene elektrische Signal über den
gesamten Druckbereich proportional zu dem am Differenzdruckgeber
anliegenden Differenzdruck und bei zyklischer Differenzdruckaufbringung
ergibt sich eine sehr geringe Ausdehnung der entstehenden Schleife.
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So
kann durch die Verwendung von zwei elastischen Elementen 3 und 4,
welche den Kolben nach links und nach rechts jeweils getrennt vorspannen,
mit einfachen Mitteln und kostengünstigen Komponenten dennoch
ein Differenzdruckgeber mit der gezeigten hervorragenden Kennlinie
erreicht werden.