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-Vorrichtung zur Übertragung einer mechanischen Grösse durch die
Wand einer Kammer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, welche über einen
Hebel mit möglichst geringer Reibung und möglichst grosser Empfindlichkeit eine
mechanische Grösse (Bewegung oder Kraft) aus dem Innern einer dichten Kammer nach
aussen übertragen soll.
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Diese Vorrichtung ist besonders dann geeignet, wenn in der Kammer
ein von dem äusseren Druck ganz verschiedener Druck herrscht, wobei der Sinn dieses
Unterschieds beliebig ist.
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Eine derartige Vorrichtung-ist besonders auf dem Gebiet der Messinstrumente
zweckmässig, wie Abnehmer von Differentialdrücken und Apparate zur Messung des Flüssigkeitspegels,
und
allgemeiner für alle Instrumente, bei welchen aus einer unter Druck stehenden Zelle
eine Bewegung oder eine Kraft für eine Anzeige, eine Aufzeichnung, eine Regelung,
oder die Pernübertragung eines in der Zelle festgestellten Signals herausgeführt
werden muss.
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Bei den bekannten Abnehmern eines lifferentialdrucks, den Pegelmessern
und allen unter Druck arbeitenden Messgeräten, welche eine Abnahme der Bewegung
oder der Kraft erfordern, um die entsprechende Grösse aus einer dichten Zelle heraus
zu übertragen, ist es üblich, diese Bewegungsabnahme mittels eines elastischen Teils
herzustellen, welcher einen durch die wand der Zelle tretenden beweglichen starren
Hebel trägt.
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Der elastische Teil muss gleichzeitig so nachgiebig sein, dass er
dem Detektor einen möglichst kleinen Widerstand entgegensetzt, und genügend starr,
um ohne Schaden den Druckunterschied zwischen dem Aussenraum und dem Innern der
Zelle auszuhalten. Die gewählten Kompromisse sind nicht frei von Nachteilen.
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Bei einer Ausführungsform æ. B. tritt der einer Biegungstraft unterworfene
starre Hebel aus der Zelle des Abnehmers durch ein verformbares Metallrohr aus,
welches unter dem Innendruck der Zelle steht, und dessen eines Ende an die Zelle
des Abnehmers und dessen anderes Ende an den Austrittshebel angelötet ist. Bei einem
solchen Rohr sind Nachgiebigkeit und Festigkeit miteinander unvereinbar.
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Bei einer anderen Ausführung tritt der ebenfalls einer Biegungskraft
unterworfene Hebel aus der Zelle des Abnehmers durch eine nachgiebige Membran aus,
welche gleichzeitig
seine Beweglichkeit und die Abdichtung der
Zelle bewirkt.
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Gerade infolge der Nachgiebigkeit der Membran bleibt diese jedoch
mechanisch empfindlich.
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Bei einer dritten Ausführung tritt der einem Drehmoment unterworfene
starre Hebel aus der Zelle -durch ein metallisches Torsionsrohr aus, welches dem
Druck der Zelle ausgesetzt ist. Ein Ende dieses Rohrs ist an die Zelle des Abnehmers
und des ander Ende and den Ausgangshebel angelötet. Auch hier bleiben die Nachgiebigkeit
und die Festigkeit des Rohrs unvereinbar.
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Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteilen abzuhelfen.
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Die erfindungsgemässe Übertragungsvorrichtung mit einer nachgiebigen
in der Kammer angeordneten, dem in dieser herrschenden Druck unterworfenen Membran,
welche einen starren aus der Kammer austretenden Hebel trägt, ist dadurch gekennzeic
net, dass die Membran sich an einem zwis-chen ihr und der Wand der Kammer ausgbildeten
hydraulischen Kissen abstützt, wobei der starre Hebel durch diese Wand durch eine
Öffnung tritt, welche mit einer Dichtung versehen ist und die Verschwenkungen des
Hebels gestattet.
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Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die
Membran ringfärmig, an ihrem Umfang zwischen dem Körper und der Wand der Kammer
eingespannt und in ihrem mittleren Abschnitt an eine staire Schale angelötet, durch
welche axial dicht der Übertragungshebel tritt.
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Gemäss einer weiteren zweckmässigen Ausbil dung der Erfindung tritt
der Übertragungshebel durch die Wand der Kammer in einer Öffnung, welche durch zwei
einander entgegengesetzte
Kanäle gebildet wird, deren mittlerer,
den kleinsten Querschnitt aufweisender Abschnitt einen nachgiebigen Dichtung ring
aufnimmt, welcher den Übertragungshebel umgibt und praktisch in der Ebene der nachgiebigen
Membran angeordnet ist. Hierfür ist zweckma"ssig der innere Kanal für den Durchtritt
des Hebels in einem Vorsprung der Wand ausgebildet, welcher dem Innern der Kammer
zugewandt ist und in die fest mit dem Ubertragungshebel verbundene Schale eintritt.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer Ausfuhrungsform der
erfindungsgemässen Ubertragungsvorrichtung.
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Fig. 2 ist ein Schnitt eines Teils der Fig. 1 in grösserem Maßstab.
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Fig. 3 und 4 zeigen in einem Axialschnitt in grösserem Mapstab zwei
Ausführungen für die Herausführung des Ubertragungshebels aus der Kammer.
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Fig. 5 ist ein schematischer Schnitt, welcher die Anwendung der Erfindung
auf ein lifferentialmanometer zeigt.
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Fig. 6 zeigt schematisch im Schnitt eine Anwendung der Erfindung
auf ein anderes Differentialmanometer.
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Pig. 7 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung auf ein Pegelmessgerät
mit Tauchkörper.
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Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
weist die Ubertragungsvorrichtung eine durch einen Hohlkörper 2 gebildete dichte
Kammer 1 und eine entfernbare Wand. 3 auf, welche eine Oeffnung 61 des Körpers 2erschliesst
und in eine Ringnut 4 desselben eingreift. Die
Wand 3 wird gegen
den Körper 2 durch einen Schraubenkranz 5 gepresst.
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Durch die Wand 3 tritt ein starrer Ubertragungshebel 7, dessen Fassung
eine Verschwenkung zulässt. Der Hebel 7 soll aus der Kammer 1 eine mechanische Grösse
(Bewegung oder Kraft) übertragen, welche die Messung einer anderen Grösse bildet,
wofür der Hebel 7 mit einem Messdetektor verbunden ist, für welchen weiter unten
verschiedene Beispiele angegeben sind.
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Der Hebel 7 tritt durch die Wand 3 in einer Öffnung mit zwei entgegengesetzten
Kanälen 8 und 9, welche eine konvergierende und divergierende Anordnung bilden und
eine Einschnürung bestimmen, in welcher ein nachgiebiger Dichtungsring 11 angeordnet
ist, welcher den Hebel 7 elastisch umfasst.
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Der Hebel 7 wird von einer zylindrischen starren Schale 12 getragen,
durch welche er in der Achse derselben tritt, und an welche er starr und hermetisch
angelötet ist.
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Die Schale 12 überdeckt mit einem gewissen Spiel den Vorsprung 6.
Sie ist mit ihrem Umfang an einer ringförmigen nachgiebigen elastschen, insbesondere
aus Metall bestehenden Membran l3 befestigt. Die Membran 13 ist an ihrem Umfang
mit einem Dichtungsanstrich überzogen und zwischen der Wand 3 und der die UfEnung
61 einfassenden Schulter 62 des Körpers 2 eingespannt, wobei der Festzug durch die
Schrauben 5 erfolgt.
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Bei dieser Anordnung liegt der Dichtungsring 11 in dem Vorsprung
6 praktisch in der Ebene der nachgiebigen Membran 13.
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Gemäss einem wesentlichen Kenzeichen der
Erfindung
ist der geschlossene Raum zwischen der nachgiebigen Membran 13 und der Schale 12
einerseits und der Wand 3 der Kammer mit ihrem Vorsprung 6 andererseits mit einer
Plüssigkeit 18 gefüllt, z. B. Öl, so dass er ein hydraulisches Kissen bildet.
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Hierfür steht dieser Raum mit dem ausserhalb der Kammer 1 liegenden
Raum durch eine in der Wand 3 ausgebildete Füllöffnung 19 in Verbindung, welche
mit einem sie hermetisch verschliessenden Gewindestöpsel 21 versehen ist. Die Füllung
dieses geschlossenen Raums mit der Flüssigkeit 18 erfolgt vorzugsweise im Vakuum.
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Die Flüssigkeit 18 braucht natürlich nicht zu zu sein, sondern es
kann insbesondere eine wässerige Lösung, ein Gemisch von mischbaren Slüæsigkeiten,
Quecksilber oder ein beliebiger anderer wenig zusammendrückbarer und vorzugsweise
eine geringe Viskosität besitzender Körper benutzt werden.
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Bei der Ausfuhrung der Fig. 1 und 2 soll die Übertraungsvorrichtung
aus der Kammer 1 eine der Messung eines Differentialdrucks entsprechende Bewegung
übertragen.
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Hierfur kann das freie Ende des Hebels 7 mit einem Zeiger, mit einer
Schreibfeder oder mit dem Eingangsglied eines Fernubertragers, eines Reglers oder
einer Signalvorrichtung, oder eines beliebigen anderen nicht dargestellten Bewegungsempfängers
verbunden werden.
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Ferner ist in dem Körper 2 ein Detektororgan vorgesehen, welches
durch eine zu dem Hebel 7 parallele nachgiebige Membran 22 gebildet wird, welche
den Körper 2 in zwei gegeneinander abgedichtete Kammern 25 und 24 unterteilt. Nur
die Kammer 23 steht mit der Schale 12 und der Membran 13 in Verbindung.
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Die Kammern 23, 24 stehen. über oeffnungen 25 und 26 und nicht dargestellte
Leitungen mit Kammern in Verbindung, in welchen ganz verschiedene Drücke herrschen
könnten. Die Membran 22 ist in ihrer Mitte zwischen Metallflanschen 27 eingespannt,
welche durch einen starren oder halbstarren Stab 28 mit dem Ende des Übertragungshebels
7 verbunden sind. Die Membran 22 kann aus Stahl sein und die Elastizität einer Feder
haben. Sie kann biegsam und und unelastisch sein, wobei dann ihre Verstellung durch
eine Feder 29 begrenzt wird, welche ihre Rückkehr in eine Stellung gewährleistet,
welche ausschliesslich von dem Differentialdruck abhängt, unter welchem sie steht.
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Die obige Ubertragungsvorrichtung arbeitet folgendermassen: Jede
Differenz zwischen den beiderseits der Membran 22 wirkenden Dräcken hat eine Querverschiebung
der Membran und eine entsprechende Drehbewegung des Übertragungshebels 7 zur Folge.
Da dieser sich mit der Schale 12 an dem durch die Flüssigkeit 18 gebildeten hydraulischen
Kissen abstützt, kann er frei um seine axiale Stellung in den Kanälen 8 und 9 schwenken.
Der in der Bbene der nachgiebigen Membran 13 angeordnete Dichtungsring 11 bildet
praktisch ein festes Gelenk fur den Hebel 7.
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Mit den Bezeichnungen - P = der im Innern der Kammer 23 herrschende
Druck; - = der in dem hydraulischen Kissen herrschende Druck; -S = die dem Binspanndurchmesser
der Membran 13 entsprechende -Gesamtfläche ; - 5 = der Querschnitt des Übertragungshebels
7, kann die Bedingung des statischen Gleichgewichts der Membran 13
geschrieben
werden: p1 x (s - s) = F x 5, worin 21-P = P1. s/S Da s sehr klein gegenüber S ist,
ist offenbar nur sehr wenig grösser als P.
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Der Relativwert des von der nachgiebigen Membran 1-3 ausgehaltenen
Differentialdrucks ist daher besonders klein. Hieraus ergibt sich, dass trotz der
hohen Drücke, welche in der Abteilung 23 der Kammer 1 herrschen können, die Membran
13 nur geringen Beanspruchungen unterliegt und aus einem verhältnismässig dünnen
nachgiebigen Werkstoff hergestellt werden kann.
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Unter diesen Bedingungen setzt bei einer Ubertragung einer Bewegung
die Membran 13 dem Detektor einen besonders geringen Widerstand entgegen, ohne die
Zuverlässigkeit der Vorrichtung irgendwie zu beeinträchtigen.
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Natürlich können der Durchtritt des t;bertragungshebels 7 durch die
Wand 3 der Kammer 1 und der Einbau des Dichtungsringes 11 auf verschiedene Weise
ausgebildet werden.
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Bei der Ausfahrung der Fig. 3 wird die Dichtung 11 durch einen Kunststoffring
mit Kreisquerschnitt gebildet, welcher an dem Boden einer in dem Vorsprung 6 ausgebildeten
Ausnehmung 15 angeordnet ist. Die Dichtung 11 wird durch einen Metallring 16 festgezogen,
welcher in den Kopf des Vorsprungs 6 eingebördelt ist und innen den Eingangskanal
8 des- Hebels 7 bildet.
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Bei dieser Ausführung ist die nachgiebige Membran 13 nicht mehr *
ihrem Umfang zwischen dem Körper 2 und der Wand 3 eingeEpannt, sondern ist aussen
auf einen Bund
aufgebördelt und aufgeLötet, welcher die ringförmige
Randleiste 17 der Wand 3 der Kammer abschliesst. Ebenso ist sie in ihrem mittleren
Abschnitt auf den inneren Rand der Schale 12 aufgebördeln und aufgelötet, welcher
einen dem vorhergehenden ähnlichen Bund bildet.
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Bei der Ausführung der Pig. 4 wird die Dichtung 11 durch einen Kunststoffring
mit Rechteckquerschnitt gebildet, welcher durch eine Stopfbuchse 14 festgezogen
wird, welche von ausserhalb der Kammer in die Wand 3 eingeschraubt und innen mit
dem Ausgangskanal 9 des Hebels 7 versehen ist.
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Bei den beiden vorhergehenden Ausführungen kann die Dichtung 11 zweckmässig
unmittelbar auf den Hebel 7 aufgeformt werden, wodurch eine einwandfreie Abdichtung
langs des Hebels sichergestellt wird.
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Nachstehend sind einige vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemässen
Itbertragung svorricht ung auf gewisse industrielle Messgerte beschrieben, obwohl
die Erfindung natürlich nicht auf diese beschrankt ist.
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Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Differentialmanometer,
welches insbesondere zur Messung von Strömungsmengen von unter Druck stehenden Strömungsmitteln
in Verbindung mit einen Unterdruck erzeugenden Organen bestimmt ist. Der Apparat
beruht auf dem Kräftegleichgewicht. Der durch die Wand 3 der Kammer 1 tretende starre
Hebel 7 überträgt nur Krafte, welche von Verstellungen sehr geringer Amplitude begleitet
sind.
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Der Hebel 7 wird hier durch zwei ineinander eingepresste Hebelarme
7a, 7b gebildet. Der Teil 7a läuft in eine die Schale 12 bildende glocke aus.
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Der Rest der Kammer 1 ist wie die der Fig .1 ausgebildet. Die Abteilung
23 steht normalerweise unter dem höchsten Druck. Der Arm 7a steht unter der Wirkung
des auf die Membran 22 ausgeübten Differentialdrucks. Diese Wirkung wird auf ihn
durch einen starren Stab 28 übertragen, dessen konische Enden in von dem Flansch
27 bezw. dem Teil 7a getragene Spurlager eingesetzt sind. An seinem anderen ausserhalb
der rammer 1 liegenden Ende ruht der Hebel 7 über einen einstellbaren Nocken 44,
welcher larigs des Arms verschieblich ist und eine Einstellung des Mapstabs gestattet,
auf einem mit Kräftegleichgewicht arbeitenden Stellmechanismus. Dieser z. B. pneumatische
Stellmechanismus weist in an sich bekannter Weise einen Arm 45 auf, welcher einerseits
auf einem Festpunkt 46 und andererseits auf einem Balgen 47 ruht, dessen Druck durch
eine Leitung 64 zur Anzeige, Registrierung oder Regelung auf ein Empfangsmanometer
fernübertragen wird. Das dem Festpunkt 46 abgewandte Ende des Arms 45 steht unter
der Wirkung einer Rückholfeder 48 regelbarer Spannung zur Rückführung des Apparats
auf Null. Der betreffende Stellmechanismus weist schliesslich einen auf die geringste
Verstellung des Hebels 7 ansprechenden Abweichungsdetektor 49 auf.
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Die Arbeitsweise ist folgende: Dem auf die Membran 22 auBgeBübten
und durch den starren Hebel 7 auf den Balgen 47ütertragenen Differentialdruck wird
jederzeit durch den Druck das Gleichgewicht erhalten, welchen an dem Scheitel des
Balgens der mit seinem Abweichungsdetektor 49 versehene Stellmechanismus entwickelt,
wobei diese beiden Kräfte in entgegengesetztem Sinn auf die beiden Enden des Hebels
7 wirken. Dieser stütst sich andererseits erfindungsgemüse an dem hydraulischen
Kissen 18 über die nachgiebige Membran
13 ab Da dieser Stellmechanismus
an dem Abweichungsdetektor eine praktisch Null betragende Abweichung aufrecht erhält,
erfährt der Ubertragungshebel 7 nur Bewegungen geringe.-Amplitude, sodass die nachgiebige
Membran 13 und der Dichtungsring 11 nur unbedeutende Verformungen erhleiden. Es
ist daher leicht möglich, die Dicke und den Durchmesser der Membran 13 sowie den
Durchmesser des Hebels 7 entsprechend dem zu messenden Differentialdruck und dem
Absolutwert der auftretenden Drücke zu bemessen.
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Natürlich kann der in Fig. 5 dargestellte pneumatische Apparat durch
einen elektrischen Stellmechanismus ersetzt werden, ohne den Rahmen der Effindung
zu verlassen, Bei der Ausführung der Fig.6 ist die Erfindung auf ein Differentialmanometer
zur Messung von Strömungsmengen von unter Druck stehenden Strömungsmitteln in Verbindung
mit einen Unterdruck erzeugenden Organen, wie Blende und Venturirohr angewandt.
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Die Kammer 1 enthält zwei mit den Messpunkten durch Rohrleitungen
33 und 34 verbundene Abteilungen 31 und 32 für hohen bezw. niedrigen Druck. Die-AbteilungeD
31, 32 werden durch nachgiebige Membranen 35 und 36 begrenzt, welche die Detektororgane
der Kammer sind. Mit ihren den beiden Abteilungen 31 und 32 abgewandten Seiten begrenzen
die Membranen 35, 36 zwei mit Öl d.dgl. gefüllte Volumen, welche durch die Wände
der Abteilungen selbst und die Wand eines Balgens 37 begrenzt werden, welcher durch
eine Feder 38 abgeglichen und in einer Kammer-66 unt-ergebracht ist. Das innere
-Ende des -Ubertragungshebels-- 7 ist mit dem Balgen 37 durch einen Betätigungsstab
39 verbunden,
welchen in der Nähe seines oberen Endes mit einem
Ventil 49 versehen ist, welches an den beiden Enden seines Hubes durch Berührung
mit Sitzen 67 oder 68 die Stromung des aus dem in der Abteilung 31 befindlichen
Volumen kommenden Öls unterbricht.
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Eine an dem Speisekreis der Kammer 66 angebrachte einstellbare Körnerschraube
42 gestattet, die Ansprechgeschwindigkeit des Differentialmanometers in gewissen
Grenzen zu regeln. Ausserhalb der Kammer 1 betätigt der Übertragungshebel 7 über
ein Verstärkersystem den Zeiger eines Anzeige-oder Registriergeräts 43.
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Die Arbeitsweise ist folgende: Ein Differentialdruck wird auf den
Balgen 37 übertragen, welcher sich z.B. unter Zusammendrückung der Peder 37 ausdehnt,
und den Zeiger des Anzeigegeräts 43 über den Hebel 7 verstellt. Am Ende der Skala
legt sich das Ventil 41 auf den Sitz 68 und unterbricht jede Strömung der Füllflüssigkeit,
wodurch die Verformungen der beweglichen Teile (Membranen 35 und/36, Balgen 37,
Hebel 7, nachgiebige Membran 13 des hydraulischen Kissens 18) begrenzt werden. Beiner
Umkehr des Differentialdrucks legt sich das Ventil 41 auf den Sitz 67 und erfüllt
die gleichen Aufgaben.
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Die in Fig.7 dargestellte dritte Anwendung der Erfindung betrifft
einen Apparat mit Tauchkörper, welcher mit Kräftegleichgewicht arbeitet und insbesondere
zur Messung des Pegels einer Flüssigkeit in einer unter Druck stehenden Kammer oder
einem unter Druck stehenden Teil einer Anlage bestimmt ist.
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Die dichte Kammer 1, welche mit zwei Rohrleitungen zur Speisung und
Entleerung versehen ist, welche Ventile 51 und g enthalten, nimmt einen an dem Ende
des Hebels 7 aufgehängten tauchkörper 53 auf. Zwei einstellbare Anschläge 54 und
55 begrenzen
die Bewegungsamplitude des Hebels 7, welcher einer
lotrechten nach aufwdrts gerichteten Kraft ausgesetzt ist, welche gleich dem scheiabaren
Gewicht des Tauchkörpers ist, welches sich entsprechend dem Pegel der Plüssigkeit
ändert, in welche der Tauchkörper 53 teilweise eintaucht. An seinem anderen ausserhalb
der Kammer 1 liegenden Ende übt der Hebel 7 über einen einstellbaren Nocken 44 (zur
Einstellung des Ma#stabs) eine zu dem s cheinbaren Gewicht des Tauchkörpers 53 proportionale
Kraft auf einen mit Kraftegleichgewicht arbeitenden Stellmechanismus aus, welcher
pneumatisch und wie der der Fig.5 ausgebildet ist.
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Der zu dem scheinbaren Gewicht des Tauchkörpers 53 proportionalen
Kraft, welche durch den Hebel 7 auf den Balgen 7 übertragen wird, wird jederzeit
durch die Kraft das Gleichgewicht gehalten, welche der mit seinem Abweichungsdetektor
versehene pneumatische Stellmechanismus an dem Scheitel des Balgens entwickelt.
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Die Erfindung kann natürlich abgewandelt und auf andere als die oben
beschriebenen Messgeräte angewandt werden.