DE1648690B2

DE1648690B2 - Messumformer fuer fluiddrucke

Info

Publication number: DE1648690B2
Application number: DE1967S0109899
Authority: DE
Inventors: Joram Farnborough Hampshire Agar (Grossbritannien)
Original assignee: The Solartron Electronic Group Ltd, Farnborough, Hampshire (Großbritannien)
Priority date: 1966-05-18
Filing date: 1967-05-17
Publication date: 1978-01-19
Also published as: DE1648690C3; GB1181515A; DE1648690A1; US3529470A; ES341287A1

Description

Die Erfindung betrifft Meßumformer für Fluiddrucke, mit einem Sehwingelement, das in einer Kammer angeordnet ist, mit Einrichtungen zur Anregung von Resonanzschwingungen des Schwingelements, mit Einrichtungen zur Zufuhr des zu messenden Fluiddruckes zu dem Sehwingelement, um dessen Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von dem Fluiddruck zu ändern, und mit einer auf die Resonanzschwingungen ansprechenden Einrichtung, die ein Ausgangssignal mit einer von der .Schwingungsfrequenz des Schwingelements abhängigen Frequenz abgibt.

Es ist aus der DT-AS 11 6b 506 ein derartiger Meßumformer für Fluiddrucke bekannt, bei dem das Sehwingelement aus einem Hohlzylinder besteht, der einseitig eingespannt ist und dessen eine Oberfläche dem Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, unmittelbar ausgesetzt ist, da das zu messende Fluid in den Hohlzylindcr eingeleitet wird. Der Hohlzylinder führt dabei Umfangssohwingungen aus. Das Material, aus dem der llohl/ylinder hergestellt is¹., ist durch die gewünschte Freqtienz-Druck-Charaktenstik des Umformers bestimmt iin.l besiehi deshalb gewöhnlich aus

Legierungen, die den Nachteil besitzen, duli sie nicht korrosionsbeständig sind, so daß sie zur Messung des Druckes von korrosiven Fluidcn nicht verwendbar sind. Der llohlzylinder ist in einer nach außen abgedichteten Kammer angeordnet. Bei Verwendung de.» Meßumfor- "> niers als Differenzdruckmesser wird ir diese Kammer das zweite zu messende Fluid eingeleitet, so daß auch die andere Oberflüche des Hohlzylinders mit Meßfluid in Berührung kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen κι Meßumformer für Fluidzweckc zu schaffen, der zur Messung des Druckes von korrosiven Fluiden einsetzbar ist und dabei die Messung relativ hoher Drucke gestattet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das π Schwingelement in an sich bekannter Weise zwei Stirnteile enthält, die durch mehrere parallele Streben verbunden sind, die symmetrisch um eine gemeinsame, parallel zu den Streben verlaufende Achse angeordnet sind, und von denen jedes /u Transversalschwingungen .?<) bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz erregbar ist, daß die Kammer gegenüber dem Eintreten von Fluid abgedichtet ist, dessen Druck gemessen werden soll, daß die Stirnteile des Schwingelements über Kraftübertragungsglieder mit Scheiben der Kammer verbunden sind, r> von denen mindestens eine bewegbar ist, daß der zu messende Fluiddruck an der Außenseite mindestens einer der Scheiben angreift und daß Änderungen des zu messenden Fluiddruckes über diese Scheibe(n) die auf die Streben einwirkenden Kräfte und damit die jo gemeinsame Frequenz der Transversalschwingungen der Streben ändern.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besieht darin, daß das Schwingelement, das sich in der Kammer befindet, gar nicht dem Fluid, dessen r> Druck gemessen werden soll, ausgesetzt wird und daß darüber hinaus auf Grund der Konstruktion des Schwingelements selbst mit zwei Stirnteilen, die durch mehrere parallele Streben miteinander verbunden sind, eine Messung bis zu verhältnismäßig hohen Drucken au möglich ist. Da das Schwingelement dem zu messenden Fluid nicht ausgesetzt wird, kann es aus irgendeinem Material hergestellt sein, das eine geeignete Schwingungscharakteristik aufweist. Selbstverständlich läßt sich der erfindungsgemäße Meßumformer auch für ■(> nicht korrosive Fluide verwenden.

Zur erfindungsgemäßen Lösung des zugrunde liegenden Problems sei noch auf das ältere deutsche Patent 12 43 895 hingewiesen, nach dem bereits ein elektromechanischen Meßumformer vorgeschlagen wurde, bei jo dem jedes Schwingelement zwei schwingende Arme aufweist, die an ihren Enden miteinander verbunden sind, so daß jedes Schwingelement die Gestalt zweier an den Stirnflächen ihrer Zinken verbundenen Ulimmga- bein aufweist. Dieser elektromechanische Meßumfor- 5i mer wird insbesondere als Beschleunigungsmesser verwendet, da in Richtung der Längsachse der Schwingelemente wirkende äußere Kräfte zv Frequenzänderungen führen, die zur Messung der Kraft ausgewertet werden können. Nicht geht es jedoch dabei eo um einen Meßumformer, mit dem der Druck von Fluiden, insbesondere korrosiven Fluiden, gemessen werden soll.

Weiterbildungen der crfindungsgcmäßcn Anordnung sind durch die Unteranspriiche gekennzeichnet. h>

Ausfüliruiigsbeispielc der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt

I-ig. 1 einen vereinfachten Schnat durch ein Ausfiihrungsbeispiel,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. I,

Fig. J bis 5 vereinfachte Schnitte durch weitere Ausführungsbeispiele,

Fig. fa einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels nach F i g. 5,

F i g. 8 einen Schnitt durch ein abgewandeltes Teil des Ausführungsbeispiels nach F i g. 7 und

Fig. 9 und IO Rahmenkonstruktionen von Ausführurigsbeispielen, bei denen zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen piezoelektrische Einrichtungen verwendet sind.

Gemäß der F i g. I enthält ein Gerät zum Messen von Flu'iddrucken eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion, die zwei nahezu identische Streben oder Stäbe 11 und 12 enthält, die mit zwei Stirnteilen 13 und 14 aus einem Stück gefertigt sind, mittels denen die beiden Streben 11 und 12 mit zwei ausgerichteten Stangen 15 und 16 gekoppelt und wirksam an ihren Enden eingespannt werden können. Die beiden Streben können auch einzeln gefertigt und fest mit den beiden Stirnteilen verbunden sein. Die Stange 15 bildet ein erstes Kraftübertragungsglied und es ist daran eine Scheibe 17 fest angebracht. Ein zweites Kraftübertragungsglied wird durch die Stange 16 gebildet, die fest mit einer Abschlußwand 18 eines zylindrischen, starren Gefäßes 19 oder einer Kammer 19 verbunden ist.

Die Scheibe 17 und die Stangen 15 und 16 sind koaxial mit dem zylindrischen Gefäß 19, und die Streben 11 und 12 liegen parallel zu dessen Achse 20 und sind, wie in der Fig. 2 angedeutet ist, von dieser gleichweit beabstandet. Beim Betrieb können daher durch die Kraftübcrtragungsglieder auf die Streben 11 und 12 derart Kräfte einwirken, daß sie in gleicher Weise in Druck- oder Zugrichtung beansprucht werden. Außerdem sind die Streben 11 und 12 symmetrisch um die gemeinsame Achse 20 angeordnet.

An der Scheibe 17 und dem Rand 22 des Gefäßes 19 ist ein flüssigkeitsdichter flexibler Ring 21 befestigt, durch den ein flüssigkeitsdichter Raum abgeschlossen wird, der durch das Gefäß 19, die Scheibe 17 und den Ring 21 gebildet ist und der entweder mit einem Gas, durch das ein Vergleichsdruck festgelegt wird, ausgefüllt oder evakuiert ist. Die Scheibe und der Ring können auch aus einem Teil bestehen.

Während des Betriebs ist das Gefäß 19 derart in der Wand einer (nicht gezeigten) mit einem Medium gefüllten Kammer befestigt, das der Druck des Mediums über die äußeren Oberflächen der Scheibe 17 und des Rings 21 angelegt ist. Durch eine Differenz zwischen dem Druck des Mediums und dem Vergleichsdruck werden Kräfte hervorgerufen, die gleichermaßen auf die Streben 11 und 12 wirken.

Die Streben U und 12 bestehen aus einem nicht ferromagnetischen Metall und sind parallel an die Ausgangsklemmen eines Verstärkers 25 angeschlossen. Zwei stabförmige Permanentmagnete 23 und 24 sind derart innerhalb des Gefäßes oder der Kammer 19 angeordnet, daß die Mittelabschnitte der Streben 11 und 12 in Querrichtung von stationären Magnetfeldern durchsetzt sind, wobei die Felder durch die Streben 11 und 12 parallel, aber entgegengesetzt gerichtet sind. Beide Magnetfelder verlaufen außerdem senkrecht zu derjenigen Ebene, die die Längsachsen der Streben Il und 12 enthält. An den Streben Il und 12 <,itul

Dehnungsmesser 26 und 27 befestigt, mit denen die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 in einer gemeinsamen Ebene gemessen werden und die mil den Eingangsklemmen eines Vorverstärkers 28 verbunden sind, der über einen Phasenschieber 29 mit den Eingangsklemnicn des Verstärkers 25 verbunden ist.

Beim Betrieb werden durch Rückkopplung durch die Verstärker 25 und 28 und den Phasenschieber 29 die Transversalschwingungen der Streben Il und 12 bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz aufrechtcrhallcn. Die elektrischen Ströme vom Verstärker 25, die durch die Streben f 1 und 12 fließen, sind Wechselströme, die die gleiche Frequenz wie die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 besitzen und durch ihre momentanen Nullpunkte gehen, wenn die Streben 11 und 12 in ihrer unbeanspruchten Normalstellung sind. Da die Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind, schwingen die Streben 11 und 12 in Phase bezüglich der Achse 20, d. h. entsprechende Punkte in Längsrichtung der Streben bewegen sich außer an den Knoten relativ zueinander in entgegengesetzter Richtung.

Die Durchbiegungen der Streben 11 und 12 werden mit den Dehnungsmessern gemessen, von denen ein Signal erzeugt wird, das im Vorverstärker 28 verstärkt wird. Die Signale vom Dehnungsmesser werden zur Modulation des durch die Streben 11 und 12 fließenden Stroms sowohl mit Hinblick auf die Größe als auch die Richtung verwendet. Da die Signale ihren Höchstwert erreichen, wenn die Streben 11 und 12 am stärksten durchgebogen sind, ist zwischen dem Vorverstärker 28 und dem Verstärker 25 der Phasenschieber 29 vorgesehen, durch den die Phasenlagcn der vom Dehnungsmesser kommenden Signale derart verändert werden, daß die durch die Streben 11 und 12 fließenden Ströme bei geraden Streben am größten sind. Es wird daher ein im wesentlichen sinusförmiger elektrischer Strom erzeugt, der die gleiche Frequenz wie die Transversalschwingungen der Streben oder Stäbe 11 und 12 besitzt, gegenüber diesen aber um rc/2 phasenverschoben ist, so daß die Transversalschwingungen aufrechterhalten bleiben. Im Verstärker 25 sind Filter vorgesehen, mit denen der durchgehende Frequenzbereich in ^erforderlicher Weise beschränkt wird. Die Streben 11 und 12 werden entweder durch einen leichten mechanischen Anstoß oder durch elektrische Rauscheffekte im Verstärker 25 beim Einschalten der aus den Verstärkern 25 und 28 und dem Phasenschieber 29 bestehenden elektrischen Einrichtung in Schwingungen versetzt.

Die Frequenz der Transversalschwingungen der Sueben 11 und 12 hängt von den auf sie wirkenden Kräften ab. Die Frequenzen können indirekt durch Messung der Frequenzen des während des Betriebs durch die Stäbe 11 und 12 Fließenden Wechselstroms festgestellt werden. Mit den Ausgangsklemmen des Verstärkers 25 ist zu diesem Zweck ein Frequenzmesser verbunden. Nach entsprechender Eichung kann daher mil Hilfe dieses McB- oiler Kraftumformers in einem gewissen Bereich der Druck eines Mediums gemessen werden.

Hei anderen Aiisführiingsbcispielcn können die Transversalschwingungen mich auf andere als die oben beschriebene Weise aufrechterhalten werden. Beispielsweise können die Streben aus piezoelektrischem Material bestehen und es können ihre Transversalschwingungen durch Rückkopplung mil I lilfc piezoelektrischer Sensoren aufrechterhalten werden, oiler die Stichen bestehen ,ms lenomaiMiclischem Metall und

werden elektromagnetisch durch Rückkopplung voi Detektorspulen auf Elektromagnet in ihrem Schwin gungszusiand gehalten.

Handelt es sich um ein Ausführungsbeispiel zun Messen des Drucks eines schädlichen Mediums, z. Ii eines radioaktiven Mediums, daim kann es vorieilhal sein, zum Aufrechterhalten der Schwingungen eiiu Einrichtung vorzusehen, die außerhalb des Gefäße; oder des Gehäuses des Umformers angeordnet sind Eine solche Einrichtung kann beispielsweise Elcktro magnete einhalten, wenn die Streben aus magnetischen Material bestehen und das Gehäuse aus nichtmagneti schein rostfreien Stahl besteht. Hierdurch sind keim elektrische Isolierungen im Gehäuse für die Zuleitungei zur Einrichtung zum Aufrechterhalten der Schwingun gen notwendig. Die Einrichtung zum Aufrechterhaltet der Schwingungen kann auch optische oder clcktrosla tioschc Elemente enthalten.

In der F i g. 3 isl ein anderes Ausführungsbcispie gezeigt, bei dem das eine Kraftübcrlragungsglicd cini Stange 15 ist, an der eine Scheibe 31 starr befestigt ist Die Scheibe 31 und eine Scheibe 32 sind starr an einer /ι ihnen koaxialen Stange 33 befesligt und durch diese au Abstand gehalten. An der Scheibe 31 und einem nacl innen in das Gefäß 19 ragenden, ringförmigci Wandvorsprung 35 isl ein Balg 34 befesligt. Ein wcilerei Balg 36 isl an der Scheibe 32 und einem Rand 22 de: Gefäßes 19 befesligt. Durch einen Einlaßnippel 37, dei in die zylindrische Wand des Gefäßes 19 geschraubt isl kann in die durch die beiden Scheiben 31 und 32, dei Wandvorsprung 35. die Bälge 34 und 36 und einen Tei der zylindrischen Wand des Gefäßes 19 gebildcti Kammer ein Medium eingelassen werden. Das Gefäß Ii ist während des Betriebs derart in der Wand cinci weiteren (nicht gezeigten) Kammer befestigt, in wclchci sich ein zweites Medium befindet, daß der Druck diese; zweiten Mediums über die äußere Oberfläche dei Scheibe 32 und den Balg 36 übertragen wird. Der Raun zwischen der Abschlußwand 18 und der Scheibe 31 ist ir diesem Fall evakuiert.

Mil den Stäben 11 und 12 sind (nicht gezeigte Einrichtungen verbunden, die Transversalschwingungei der Streben, in Phase und bei einer gemeinsamer Resonanzfrequenz, ermöglichen.

Beim Betrieb sind beide Streben 11 und 12 in gleichet Weise Kräften ausgesetzt, was im wesentlichen dii Folge der Druckdifferenz zwischen den Drücken dei Medien zu beiden Seiten der Scheibe 52 ist. Die Ausgangsgröße im Verbundbetrieb, d. h., das Verhältnis des Ausschlags in Abhängigkeil von der Summe dei Drücke zum Anschlag in Abhängigkeil von dei Differenz der Drücke, isl nahezu proportional cleir Verhältnis dei Fläche der Scheibe 31 zur Fläche dei Scheibe 32 und kann daher klein im Vergleich zu Fin? gemacht werden.

Ein drittes Ausfülirungsbcispicl, das in der Fig. 4 gezeigt ist, weicht vom zweiten Ausführungsbeispie dadurch ab, daß das zweite Kraftübertragungsgliec nicht direkt an die Abschlußwand 18 des Gefäßes I^ anschließt. Dafür besteht das zweite Kraftübertragungs glied aus der Stange 16, an der eine Scheibe 41 stan befestigt ist, die fest an einer Stange 43 befestigt isl ar die sieh eine Scheibe 42 anschließt, die durch die Stangi 45 von der ersten Scheibe 41 beabstandet ist. Dk Scheiben 41 und 42 und die Stange 43 sind koaxial niii dem zylindrischen Gefäß 19 ungeordnet. Mit dei Scheibe 41 und einem starren inneren ringförmiger Wiindvorsnnmi; 45 des Gefäßes 14 isl ein Bali! 44 um

mil der Scheibe 42 und einem weiteren .silieren inneren ringförmigen Wandvorsprung 48 ein BuIg 4b IeM verbunden. Hin Einlaßnippel 47. der in die zylindrische Wiiiid des Gcfiilies 19 geschraubt ist, dient zum Einlassen eines Mediums in die durch die Scheiben 41 -> Lind 42. die Bälge 44 und 46 und einen Teil der Gefäßwand begrenzte Kummer. Die Kammer zwischen der Abschlußwund 18 und der Seheibe 42 und die Kammer zwischen den Scheiben 31 und 41 sind evakuiert. in

Ein zweites Medium kann beim Betrieb auf die äußere Oberfläche der Scheibe 32 einwirken, wie es in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben ist.

Die Ausgangsgröße beim Verbundbetrieb kann beim ι > drillen Ausführungsbeispiel dadurch nahezu auf Null gebracht werden, daß man die Fläche, über die das erste Medium auf die Scheibe 42 einwirkt, größer als die (■"lache macht, über die es auf die Scheibe 41 einwirkt, und zwar um einen Betrag, der gleich der fläche ist, über die es auf die Scheibe 31 einwirkt.

In der F i g. 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel gezeigt. Zwei elastische Streben 11 und 12, die mit (nicht gezeigten) Einrichtungen zu Transversalschwingungen bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz und in Phase 2^r> angeregt werden, sind um einen Ende mittels eines slarren ringförmigen, nach innen ragenden Vorsprungs 52 an einem zylindrischen Gehäuse 53 befestigt wobei der Vorsprung und das Gehäuse als erstes Kraftübertragungsglied wirken. Die anderen Enden der Streben II jo und 12 bestehen mit einer Scheibe 51 aus einem Stück, die an einem zweiten, zweiteiligen Kraftübertragungsglied befestigt ist. Ein Teil dieses zweiten Kraftübertragungsgliedes enthält eine Stange 54, die an einer Seheibe 55 befestigt ist, während der andere Teil aus r> einer weiteren Stange 54 besteht, die an einer Seheibe 56 befestigt ist. Die Stangen 54 und die Scheiben 55 und 56 sind koaxial angeordnet.

Die Scheiben 55 und 56 sind gleich groß und über den Bereich von Bälgen ausgedehnt, mittels denen sie mit den linden des Gehäuses 53 verbunden sind. Die Scheibe 55 ist gleichzeitig Wand einer Kammer 57, die beim Betrieb mit einem ersten Medium gefüllt ist. Die Seheibe 56 bildet gleichzeitig die Wand einer weiteren Kummer 58, die beim Betrieb mil einem zweiten «τι Medium gefüllt ist. Der Raum zwischen den Scheiben 55 und 56 ist evakuiert.

Das Ausführungsbeispiel nach der I⁷ig. 5 ist in irgendeiner F.bcne durch die Achse des Gehäuses 53 im wesentlichen symmetrisch. w

Beim Betrieb erzeugt die Druckdifferenz zwischen den Drücken des ersten und des zweiten Mediums gleiche Kräfte an den Streben 11 und 12.

Beim Alisführungsbeispiel nach der Fig. 1 hut sieh herausgestellt, daß während des Betriebs die Mitten der τ> F.ndabsehniitc 13 und 14 im Gcgentakl mit einer Frequenz, die doppelt so groß wie die Schwingungsfrequcnz der Streben 11 und 12 ist. und mit einer Amplitude schwingen, die vergleichsweise klein ist. wenn die Streben 11 und 12 im Vergleich zu ihrem Absland wi ausreichend lang sind. Um die Schwingungen der Mitten der Fndabschnille zu vermeiden, kann man eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion nach der Art des in der F i g. b gezeigten Aiisfiihrungsbeispiels verwenden. </,

Gemäß der F i g. b sind zwei elastische .Sireben 61 und 62 mit zwei l'.ndubschnillen 63 und 64 aus einem Stück Die Mittellinien 65 und 66 der Streben 61 und 62 sind von den Enden her zu einer Achse 67 hin geneigt, die durch die Minen der Endabsehnilte 63 und 64 verläuft.

Bei anderen Ausführungsbeispiclen kann die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion einen kreisförmigen oiler elliptischen Ring enthalten, der beim Betrieb Biegungsschwingungen in seiner Ebene ausführt. Zwei Kraftübertragungsgliedcr können einander diametral gegenüberliegend am Ring befestigt sein, wodurcfi die Bcfcstigungspunkte der Kraftübertragungsglieder die Endabschnitte der Rahmenkonstruktion markieren und die entgegengesetzten Ringsegmente zwischen den Befestigungspunkten elastische Verstrebungen bilden, die in Phase mit gleicher oder nahezu gleicher Resonanzfrequenz schwingen.

Es hat sich gezeigt, daß die Frequenzänderung der Transversalschwingungen der Streben eines Ausführungsbeispiels mit der Änderung der anliegenden Kräfte in einem Bereich ausnutzbar ist, der nahe dem Punkt liegt, bei dem die Rahmenkonstruktion zusammenbricht. Ein vorgespanntes elastisches Gebilde, z. B. eine vorgespannte Feder und ein Anschlagglicd, kann in ein Kraflübertragungsglicd eingebaut werden, damit es beim Betrieb als starres Gelenk dient, bis beispielsweise eine vorgewählte Spannung in Druckrichtung erreicht ist, während es anschließend bei ansteigender Beanspruchung zur Übertragung einer nahezu konstanten Spannung dient. Starre Anschlagglieder können innerhalb eines Kraftumformers, wie es in der Fig. 1 bei 70 angegeben ist, dazu vorgesehen sein, um die Bewegungen beim Zusammenbrechen der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion zu begrenzen.

Die Ausführungsbeispiele eignen sich auch für andere Zwecke als zu Druckmessung. Beispielsweise können sie zum Messen von Trägheitskräften, die durch Beschleunigungen entstehen, oder zum Messen von Feldstärken, wie beispielsweise Gravitationskräften, verwendet werden.

Die Meßumformer können auch mit elastischen Streben in Form von Röhren oder hohlen Stäben versehen sein. Bei einem Ausführungsbeispiel werden zwei Röhren verwendet, die parallel zur Achse eines zylindrischen Gefäßes angeordnet und von dieser gleich weit beabstandet sind.

Es lassen sich außerdem Ausführungsbcispielc aus zwei oder mehreren elastischen Streben konstruieren.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel enthält als Rahmenkonstruktion einen Hohlzylinder aus fcrromagnetischcm Metall, in dessen zylindrischer Wand breite l.ängsschlitze mit untereinander gleichen Abmessungen vorgesehen sind, die eine Anzahl elastischer Streben in Form von Streifen bilden, die gleichmäßig um den Umfang verteilt sind und parallel zur Achse des I lohlzylindcrs verlaufen. Das eine Ende des H0h.l7.ylindcrs ist mit einer Abschlußplalte verschlossen, die als erstes Krafiüberlragungsglicd wirkt. Eine flüssigkeitsdichte Ringdichtung ist an der Abschlußplatte und dem Rand eines zylindrischen Gefäßes befestigt, das als Gehäuse für die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion dient. Das zweite Kraftüberiragungsglied enthält um anderen Ende der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion einen Flansch und einen mit diesem aus einem Stück bestehenden, mit Gewinde versehenen Rand. Die Rahmenkonstruktion ist mittels des Gewindes am Rand mit dem Gehäuse versehraubt. Beim Betrieb wirkt der Druck eines Mediums in einem Behälter, in dessen Wund dus Gefäß befestigt ist. Hilf die äußere Oberfläche der Abschlußwand ikv /iisammenueset/teii Rahmen-

konstruktion, die somit durch die auf die Abschlußplalte wirkende Druckdifferenz und die dadurch bewirkte Gegenkraft parallel zu ihrer Längsachse zusammengedrückt wird. Der Druck innerhalb des Gefäßes ist dabei ein geringer Vergleichsdruck, Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Streben vorgesehen sein. Innerhalb der Rahmenkonstruktion, jedoch von dieser beabstandet, ist ein Körper aus einem wärmehärtbaren Harz vorgesehen. Eine Aniriebsspule und eine Aufnahmespule sind in diesem Körper eingebettet und über einen Verstärker derart verbunden, daß sie eine Rückkopplungsschleife zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen jeder Strebe bilden. Die Antriebs- und die Aufnahmespulen sind mit Permanentmagnetkernen ausgerüstet. Die Achsen der Spulen schneiden die Achse der Rahmenkonstruktion senkrecht und liegen senkrecht zueinander, damit direkte Kopplungen minimal sind. Eine optimale Orientierung der Achse der Antriebsspule zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen der Streben kann empirisch ermittelt werden. Bei Betrieb schwingen die Streben in Phase miteinander relativ zur Achse der Rahmenkonstruktion, d. h. die Mittelpunkte aller Streben erreichen gleichzeitig den Ort maximalen Ausschlags von der Achse der Rahmenkonstruktion. Bei ähnlichen Ausführungsbeispiclen können durch Verwendung anderer geeigneter Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Transversalschwingungen der Streben andere Phasenbeziehungen zwischen den Schwingungen der einzelnen Streben herrschen.

In der F i g. 7 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Rahmenkonstruktion zwei mittlere Streben Il und 12 enthält, die mit ihren Endabschnitten 14 und 15 aus einem Stück bestehen und aus der rostfreien ferromagnetischen Legierung N-Span-C 902 gefertigt sind. Ni-Span-C 902 ist eine Eisen-Nickel-Chrom-Legierung, die folgende Zusammensetzung aufweist:

Nickel (plus Cobalt)

Chrom

Titan

Aluminium

Kohlenstoff

Mangan

Silicium

Schwefel

Phosphor

Eisen

41,0 bis 43,5%
4,90 bis 5.75%
2,20 bis 2,75%
0,30 bis 0,80%
0,06 max. %
0,08 max. %
1,00 max. %
0,04 max. %
0,04 max. %
Rest

Weitere Einzelheiten über diese Legierung lassen sich aus Druckschriften von I lersiellerfirmen entnehmen.

Die Streben sind derart ausgebildet, dall eine Breitseite der Strebe Il einer Breitseite der Strebe 12 gegenübersteht. Hierdurch besitzen die Transversalschwingungen der Streben Il und 12 in tier durch ihre Achsen verlaufenden gemeinsamen Ebene eine geringe re Frequenz, als in den entsprechenden Ebenen senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene. Hei dem Ausführungsbeispiel nach der I·' i g. 7 besitzt jede Strebe eine Dicke von etwa 0,05 mm, eine Tiefe von 3,br> mm und eine Länge von 12,7 mm. leder Enikibschnilt und dainil die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion besitzt eine Breite von etwa 11,18 mm.

[y^r Endabschnitt 14 ist an einer Abflachung an einem Stub 54 aus unmagnetischem Metall angeschweißt. Eine weitere Abflachung am Stab 54 sorgt für ein Spiel zwischen dem Stab und dem Endabsehnilt 15. \~>cv Endabsehnitt 15 ist an einem Vorsprung angeschweißt, der an dem starren Ring 52 ausgebildet ist, durch den der Stab 54 frei durchgehl. Der Ring 52 ist mit dem einen Ende eines nicht ferromagnetischen zylindrischen j Metallgehäuses 53 verschweißt. Eine Abschlußplatie 81 aus Metall, die mit dem Ring 52 verschweißt ist, ersetzt den flexiblen Ring 21 und die Scheibe 55, während eine ähnliche Abschlußplatte 82 aus Metall, die mit dem anderen Ende des Metallgehäuses 53 verschweißt ist.

Hi einen zweiten flexiblen Ring 21 und die Scheibe 56 bildet. Die Enden des Stabs 54 sind mit den Scheiben 55 und 56 verschweißt.

Beim Betrieb werden durch die Kraftübertragungsglieder, die den Ring 52, den Stab 54 und die Scheiben 55

υ bzw. 56 enthalten, auf die zusammengesetzte Rahmenkonstruktion Kräfte übertragen, die längs einer Linie wirken, die um einen kleinen Winkel gegenüber der Längsachse der Rahmenkonstruktion geneigt ist. Dies ergibt sich auf Grund einer ausgleichenden Kopplung.

>o die durch diejenigen Komponenten der Reaktionskräfte hergestellt ist, die senkrecht zu den Breitseiten der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion wirken.

Der Raum zwischen den Abschlußplatten 81 und 82 ist mit Luft bei Atmosphärendruck gefüllt. Der Druck

r> des diesen Raum füllenden Mediums hat keinen Einfluß auf die Übertragung von Kräften auf die Rahmenkonstruktion. Die Abschlußplatten sind innen mit je einem ringförmigen Anschlagglied 70 aus Metall verschraubt, durch das die Bewegungen der Scheiben 55 und 56 beim

ω Zusammenbruch begrenzt werden sollen. Ein anderes Aiisführungsbcispiel mit nur verschweißten Abschlußplatten und Anschlaggliedern ist in der F i g. 8 gezeigt.

Die Abschlußplatten 81 und 82 weisen Schraubenöffnungen auf, damit Rohre mit passenden Flanschen mit

i") ihnen verbunden und die Medien, deren Drücke gemessen werden sollen, mit der gesamten äußeren Oberfläche der Scheiben 55 und 56 in Berührung gebracht werden können.

Auf dem Stab 54 ist ein loch 83 aus Aluminium oder

κι nicht ferromagnetische!!! rostfreien Stahl befestigt, das mittels zweier Stellschrauben in einer vorgewählten Stellung festgehalten ist. Das loch ist bezüglich der Schnittebene der F i g. 7 symmetrisch. Eine Antriebsspule 84 und eine (nicht gezeigte) Aufnahmespule sind in

■Ti entsprechenden öffnungen an den Enden des |ochs vorgesehen. Die Stellung des |ochs 83 auf dem Stab 54 ist derart, daß die Achsen der Antriebsspule und der Aiifnahmespule durch die Mittelpunkte der Streifen 11 und 12 verlaufen.

W Die Antricbsspulc 84 ist mit dem Ausgangskreis und die Aufnahmespule mit dem Eingangskreis des Verstärkers 25 verbunden, der in ein wärmchärtbares Harz eingebettet und im Gehäuse 53 zwischen einem nach innen ragenden Vorsprung des Gehäuses und einem

^r)^r) Haltering angeordnet ist, der in einer inneren Nut des Gehäuses sitzt. Der Stab 54 und ein Kabel 85, durch das die Antriebsspiile und die Aufnalimespule mit dem Verstärker 25 verbunden ist, sind durch eine Öffnung im Verstärker 25 geführt. Eine Spaniuingsciuelle 86 und der

Wi Frequenzmesser 30 sind mit dem Verstärker 25 durch Sleckerstifte 87 verbunden, die in eine Sieckerbuchse 87 gesteckt sind, welche in der Wand des Gefäßes 19 befestigt ist. Beim Betrieb werden die Transversalschwingungen der Streben Il und 12 durch eine kleine

iiι mechanische Schwingung oder durch elektrische Riiiisclicffekle beim Einschalten lies Verstärkers 25 angeregt. Sie erfolgen in einer Ebene, die die Längsachsen der Streifen einhält, bei einer gemcinsa-

men Resonanzfrequenz. Durch Rückkopplung mittels ties Verstärkers 25 von der Aufnahmespule zur Aniriebsspiile 84 werden diese Schwingungen aufrechterhalten. Der Verstärker besitzt eine geeignete Verstärkung und die geeigneten Eigenschaften hinsichtlich der Phase. Die Streben schwingen bezüglich der Längsachsen der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion in Phase miteinander, was eine natürliche folge der Form der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion ist.

Der Frequenzmesser 30 ist mit dem Ausgangskreis des Verstärkers 25 verbunden und dient zum Messen der Frequenz des Wechselstroms, der in der Antriebspule 84 fließt. Die Antriebspulc und die Aufnahmespule sind mit Vorspannungswicklungen ausgerüstet, die von der Spannungsqtielle 86 mit Spannung versorgt werden und von Gleichstrom durchflossen werden, so daß stationäre Magnetfelder entstehen. Das Magnetfeld der Antriebsspule 84 soll vermeiden, daß sich das gesamte Magnetfeld dieser Spule mit der doppelten Frequenz wie die Frequenz, der Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 ändert.

In der F i g. 9 ist eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion gezeigt, die die gleiche Form wie das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 8 aufweist und aus dem gleichen Material besteht, bei der jedoch die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 mit Einrichtungen angeregt und gemessen werden.

Gemäß der Fig. 9 sind Platten 101-104 aus piezoelektrischer Keramik mit der Rahmenkonstruktion verbunden. Die Antriebsplatten 101 und 102 sind an entgegengesetzten Enden der Strebe U und die Aufnahmeplatten 103 und 104 an entgegengesetzten Enden der Strebe 12 befestigt, jede der Platten 101 bis 104 besitzt eine Metallelektrode. Beim Betrieb ist der Verstärker 25 zwischen die Elektroden der Antriebsplatten 101 und 102 geschaltet. Die elektrische Potentialdifferenz, die auf Grund der Schwingungen des Streifens zwischen den Elektroden der Aufnahmeplatlen 103 und 104 entsteht, dient als Eingangsgröße für den Verstärker 25. Die Transversalschwingungen der Streben Il und 12 in der Ebene ihrer Längsachsen werden somit durch Rückkopplung über den Verstärker aufrechterhalten, der einen geeigneten Verstärkungsfaktor und die richtigen Phaseneigenschaften besitzt. Die Frequenz der Ausgangswechsclspannung des Verstärkers wird mit dem Frequenzmesser 30 gemessen.

In der Fig. 10 ist eine zusammengesetzte Rahmenkonstruktion gezeigt, die aus einer Quarzplatic geschnitten ist, deren Flächen parallel zur VZ-Ebene aus den piezoelektrischen Kristallachsen liegen. Die Richtungen der X-, Y- und Z-Achse bezüglich der Rahmenkonstruktion sind durch Hl, 112 und 113 angedeutet.

Auf die Oberseile der Rahmenkonstruktion sind vier Metallelektroden 114, 115, 116 und 117 applaniert. Vier weitere (nicht gezeigte) Elektroden, die ähnlich geformt

und angeordnet sind, sind auf der Unterseite der Rahmenkonstruktion aufplattiert. Die Elektroden 114 und 116 und die entsprechenden Elektroden auf der Unterseite der Verstrebung sind mit dem Ausgangskreis des Verstärkers 25 derart verbunden, daß die innere obere Elektrode 114 direkt mit der äußeren unteren und die äußere obere Elektrode 116 direkt mit der inneren unteren Elektrode verbunden ist. Die Elektroden 115 und 117 und die entsprechenden Elektroden auf der Unterseite der Verstrebung sind in ähnlicher Weise mit dem Eingangskreis des Verstärkers 25 verbunden. Beim Betrieb dienen daher die Elektroden 114 und 116 und die einsprechenden unteren Elektroden als Antriebselektroden und die Elektroden 115 und 117 und die entsprechenden unteren Elektroden als Aufnahmeelektroden. Die Transversalschwingungen der Streben 11 und 12 werden somit durch Rückkopplung über den Verstärker 25 aufrechterhalten, der den richtigen Verstärkungsgrad und die richtigen Phaseneigenschaften aufweist, wobei die Frequenz der Ausgangswechselspannung des Verstärkers mit dem Frequenzmesser 30 gemessen wird.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 7,9 und 10 ist die Abhängigkeit der Frequenz /"der Transversalschwingungen einer Strebe oder eines Stabes der zusammengesetzten Rahmenkonstruktion von der Belastung 5, die auf die Streifen oder Stäbe wirkt, durch die Gleichung

gegeben, worin /O für jede Rahmenkonstruktion eine Konstante ist und

S₀ =

4.7²E/)!²

bedeutet. Dabei ist Eder Elastizitätsmodul des Strcifen-

K) oder Stabmaterials, / das Moment der Querschniltsflächc des Streifens oder Stabes, /die effektive Länge des Streifens oder Stabes und π eine ganze Zahl. Der Wert von / kann empirisch bestimmt werden. .9o ist die Eulcrsche Knickkraft.

4) Obgleich bisher nur Ausführungsbeispiele beschrieben sind, bei denen die Rahmenkonstruktion bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz schwingen, sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die Frequenzen, bei denen die Streben schwingen, nahe einer

ίο gemeinsamen Resonanzfrequenz liegen. Beispielsweise können die Schwingungen in der Rahmenkonstruktion impulsweise angeregt und anschließend natürlich gedämpft werden, und es kann die Frequenz, der gedämpften Schwingungen gemessen werden. Die

μ Streben bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind nur leicht gedämpft, so daß die Frequenz der Schwingungen, die die Eigenfrequenz ist, im wesentlichen bei einer gemeinsamen Resonanzfrequenz liegt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Meßumformer für Fluiddrucke, mil einem Schwingclement, das in einer Kammer angeordnet ~> ist, mit Einrichtungen zur Anregung von Resonanzschwingungen des Sehwingelenienls, mit Einrichtungen zur Zufuhr des zu messenden Fluiddruckes zu dem Sehwingelement, um dessen Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von dem Fluiddruck zu ändern, und in mit einer auf Resonanzschwingungen ansprechenden Einrichtung, die ein Ausgangssignal mit einer von der Schwingungsfrequenz des Sehwingclements abhängigen Frequenz abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sehwingelement (11 bis π 14) in an sich bekannter Weise zwei Stirnteile (1.3,14) enthält, die durch mehrere parallele Streben (11, 12) verbunden sind, die symmetrisch um eine gemeinsame, parallel zu den Sireben verlaufende Achse angeordnet sind, und von denen jedes zu Transver- jii siikchwingungen bei einer gemeinsamen Resonanz frequenz, erregbar ist, daß die Kammer (19) gegenüber dem Eintreten von Fluid abgedichtet ist, dessen Druck gemessen werden soll, daß die Stirnteile (13, 14) des Schwingelemcnts über r> Kraftübertragungsglieder (15, 16) mit Scheiben (17, 18) der Kammer (19) verbunden sind, von denen mindestens eine bewegbar ist, daß der zu messende Fluiddruck an der Außenseite mindestens einer der Scheiben (17) angreift und daß Änderungen des zu in messenden FluiddrucKes über diese Scheibe(n) (17 und/oder 18) die auf die Streben (11, 12) einwirkenden Kräfte und damit die gemeinsame Frequenz der Transversalschwingungen der Streben (11, 12) ändern. r>
2. Meßumformer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (11, 12) einstückig milden Stirnteilen {13,14) ausgebildet sind.
3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (19) eine Trennwand (31, 35) enthält, durch die ein Kraflüberlragungsglied (15) abgedichtet hindurchgeführt ist, und daß ein Einlaßnippel (37) als Einlaß für ein weiteres Fluid in denjenigen abgedichteten Raum vorgesehen ist, der zwischen der Trennwand (31,35) und der mit 4^r> dem Kraftübertragungsglicd (15) verbundenen Wand (32) ausgebildet ist, und daß der Meßumformer auf die Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid anspricht.
4. Meßumformer nach einem oder mehreren der ~>o vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anregung der Schwingungen mindestens einen Magnet (23,24) enthält, dessen Magnetfeld die Streben (11,12) durchsetzt.
5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch v-, gekennzeichnet, daß die Streben (II, 12) aus nichtmagnetischem Metall bestehen und zwei Magnete (23,24) so angeordnet sind, daß die Streben (11, 12) in Querrichtung von stationären Magnetfeldern durchsetzt sind, und daß die Streben (II, 12) u> parallel an eine elektrische Schaltungsanordnung (25, 28, 29) angeschlossen sind, in der zur Erregung der Transversalschwingungen des Sehwingolcments (I I bis 14) ein Wechselstrom mit der Frequenz dieser Schwingungen erzeugbar und den Streben (II, 12) zuführbar ist.
6. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (II, 12) aus ferromagnetische!!! Metall bestehen und der Magnet (23,24) als Elektromagnet ausgebildet ist.
7. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die mechanisch mit dem Sehwingelement (I i bis 14) gekoppelt ist.
8. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sehwingelement (11 bis 14) aus piezoelektrischem Material besteht, und daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen mehrere an dem Sehwingelement (U bis 14) befestigte Elektroden aufweist.
9. Meßumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26,27) eine Meßwertaufnehmcrspule enthält, die die transversale Schwingung mindestens einer der Streben (II, 12) aufnimmt.
10. Meßumformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26, 27) mindestens eine piezoelektrische Einrichtung enthält, die mechanisch mit dem Sehwingelement (11 bis 14) gekoppelt ist.
11. Meßumformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26, 27) eine weitere Anzahl von Elektroden enthält, die an das Sehwingelement (11 bis 14) befestigt sind.
12. Meßumformer nach einem oder mehreren davorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anregen der Transversalschwingungen und die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung (26, 27) über einen Verstärker (28), einen Phasenschieber (29) und einen weiteren Verstärker (25) gekoppelt sind und zusammen mit den Streben (H, 12) einen die Schwingungen anregenden Riickkopplungskreis darstellen.