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Die Erfindung betrifft einen kraftkompensierenden, überlastsicheren
Differenzdruckmeßumformer für Durchflußmessungen, Niveaumessungen und dergleichen,
Diese Meßumformer sind so aufgebaut, daß der Differenzdruck auf ein Meßelement wirkt,
wobei die am Meßelement erzeugte Meßkraft über ein Waagebalkensystem und eine reibungsarme
Durchführung der Meßkraft bzw. Meßbewegung aus dem Druckraum, z.B, eine elastische
Biegeplattenabdichtung, nach außen auf ein Hompensationssystem übertragen wird.
Die Uberlastsicherheit des Meßelementes wird mittels unterschiedlicher Bauprinzipien
durch eine Flüssigkeitsfüllung im Meßwerk erreicht. Es sind Meßumformer vergleichbarer
Art bekannt, die als Meßelement ein flüssigkeitsgefülltes Doppelmembransystem benutzen.
Im Uberlastfall legt sich die Membran an einen Membranträger an, dessen Oberfläche
dem gewellten Membran profil angepaßt ist. Solche Anordnungen sind für größere Differenzdruckmeßbereiche
schlecht oder gar nicht geeignet, weil die Membranen sehr klein sind und damit die
Meßeigenschaften,
z. B. Linearität und Temperaturverhalten sehr
ungünstig werden. Weiterhin sind Meßumforier mit Membran-oder Metallbalg als Meßelement
und sogenannte Sperrmembranen bekannt. Das Meßelement besitzt auf beiden Seiten
je eine Ventileinrichtung und liegt in eine. flüssigkeitsgefüllten Raum, der auf
beiden Seiten durch die Sperrmembranen begrenzt wird. Im Überlastfall wird das jeweilige
Ventil geschlossen, wobei auf Grund der Inkompressibilität der Flüssigkeitsfüllung
Meßelement und Sperrmembran vor Deformierung geschützt werden. Nachteilig ist bei
diesen Ausführungen, daß der Überlastschutz von der Dichtigkeit der Ventileinrichtung
gegenüber dea vollen statischen Druck abhängig ist. Schon sehr kleine Undichtigkeiten
führen -insbesondere bei längerer Überlastdauer - zu einer allmählichen Zerstörung
oder Formänderung des leßelerentes.
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Weiter ist voh Nachteil, daß das Me#element i. Überlastfall zum Schließen
der Ventileinrichtung einen großeren Weg zurücklegen mu#, was zu Formänderungen
am Me#element führen kann. Auf Grund der Formänderung besteht die Gefahr einer Me#wertverfälschung
oder schleichenden Nullpunktabwanderung. erner sind Me#umformer bekannt, welche
als Me#element zwei gegeneinander gestellte Metallbälge aufweisen, die an einer
Zentralplatte dr@ckdicht befestigt sind. Die freibeweglichen Enden der Metallbälge
sind durch eine Übertragungsstange Miteinander verbunden. In der Übertragungsstange
befinden sich Vent@leinrichtungen, die im Oberlastfall eine Abdichtung gegenriber
der Zentralplatte erlauben. Der durch die Bälge bildet. Raum ist mit Flüssigkeit
gefüllt. Diq Nachteil@ dieser Geräte ergeben sich - wie ebenfalls Beschrie@en -
aus den vorhandenen Ventileinrichtungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Differenzdruckmeßumformer mit
erheblich verbesserten Gebrauchseigenschaften zu schaffen.
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Instesondere soll eine Verbesserung der meßtechnischen Eigenschaften,
die Einhaltung enger Fehlergrenzen auch nach Uberlastungen sowie über längere Zeiträume,
geringerer Temperaturfehler und eine bessere Anpassungsfähigkeit an die Betriebsbedingungen
erreicht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemä# dadurch gelöst, daß als Meßelement
ein Metallbalg verwendet wird, dessen freibewegliches Ende unnachgiebig mit dem
in einer Biegeplatte gelagerten und durch Anschläge im Weg eng begrenzten Krafthebel
verbunden ist. Das andere Ende des Metallbalges wird an einem gehäusefesten Flansch
druckdicht befestigt. An diesem Flansch wird gleichfalls das Ende eines zweiten
Balges des sogenannten Ausdehnungsbalges, befestigt.
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An der Innenseite dieses Balges wird eine einstellbare, vorgespannte
Feder angebracht, deren Vorspannung so groß eingestellt wird, daß der Balgboden
erst bei Druckbelastungen, die größer als der zu messende maximale Differenzdruck
sind, durchfedert. Diese Anordnung Flansch -Meßbalg - Lusdehnungsbalg - bildet die
Trennwand zwischen zwei flüssigkeitsgefüllten Räumen, deren äußere Begrenzung durch
zwei Sperrmembranen gebildet wird. Jede ßperrmembran ist druckdicht an einer Scheibe
befestigt und bildet mit dieser zusammen eine leicht auswechselbare Baueinheit.
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Durch Verwendung entsprechender Werkstoffe für die 8perrmembranentund
die Deckel wird der Differenzdruckmeßumformer den Jeweiligen Korrosionsbeanspruchungen
durch das Meßmedium angepaßt. Die Deckel sind abnehmbar, ohne daß hierbei Füllflüssigkeit
ausläuft, da die Baueinheit Sperrmembran -Scheibe, durch besondere Schrauben druckdicht
am Gehäuse
befestigt ist. Die der Sperrmembran zugekehrte Seite
der Scheibe ist so profiliert, daß im Uberlastfall eine passende Anlage der Sperrmembran
gewährleistet ist, so daß eine bleibende Deformation der Sperrmembran nicht auftreten
kann.
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Die volkswirtschaftliche Bedeutung solcher Geräte ist sehr groß, weil
von ihnen die Qualität und Ausbeute von Fließproduktionsprozessen in zahlreichen
tragenden Industriezweigen, wie Chemie und Energie, abhängen. Durch die erfindungsgemäße
Lösung werden, insbesondere durch die getrennte Anordnung von Meßbalg und Ausdehnungsbalg
sowie die besondere Anordnung der Sperrmembranen und Kanäle, die meßtechnischen
Eigenschaften und die Einhaltung enger Fehlergrenzen erheblich verbessert, da im
Ukerlastfall das Meßelement keinen größeren Weg zurücklegen uß, an ihm keine größere
Druckdifferenz anliegt und es so keine Formänderungen erfährt. Durch die Möglichkeit
der Abstimmung beider Teile des Flüssigkeitsraumes auf gleiche Volumina wird der
Temperaturfehler verringert.
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Durch die Ausbildung der Sperrmembran als auswechselbare Baueinheit
sowie die Einstellbarkeit der Uberlastansprechgrenze mit der im Ausdehnungsbalg
angeordneten Feder wird die Anpassungsfähigkeit an die Jeweiligen Betriebsbedingungen
erheblich verbessert. Die Kanäle, die die Verbindung zwischen dem Meßelement und
der jeweiligen Sperrmembran bilden, besitzen gleiche hydraulische Widerstände. Beide
Teile des flüssigkeitsgefüllten Raumes werden auf gleiche Volumina abgestimmt, dadurch,
daß eine von außen zugängliche druckdicht verschließbare Öffnung vorhanden ist,
in welche Verdrängungskörper eingesetzt werden.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfüiirungsbeispiel an Hand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert werden.
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In einem Gehäuse 1 befindet sich ein in einer Biegeplatte 2 gelagerter
Krafthebel 3, wobei die Biegeplatte 2 das Innere des Gehäuses 1 druckdicht nach
außen abschließt. Am inneren Ende des Krafthebels 3 ist über ein Kopplungsglied
4 ein Meßbalg 5 angelenkt, während an seinem äußeren Teil ein Kompensationsbalg
6 wirksam ist, der in üblicher Weise von einem über eine Vordrossel 7 gespeisten
pneumatischen Prailplattensystem 8 beaufschlagt wird. Die Kompensationswirkung kann
auch auf andere'herkömmliche Weise, etwa durch eine Freistrahl-Rückwirkung oder
durch ein mit elektrischer Hilfsenergie wirkendes Tauchspulsystem erzeugt werden.
Der Meßbalg 5 ist druckdicht an einem Flansch 9 befestigt, der seinerseits mit Dichtung
10, Scheibe 11 und Deckel 12 über Schrauben 13 druckdicht mit dem Gehäuse 1 verbunden
ist.
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Eine entsprechende Scheibe 14 mit Deckel 15 und Schraube 16 verschließt
die Gegenseite des Gehäuses 1. Am Rande der Scheibe 11 ist eine gewellte Sperrnembran
17 druckdicht befestigt, die sich nach beiden Seiten bewegen kann und sich im Uberlastfall
an die entsprechend profilierte Fläche der Scheibe 11 anlegen kann. In gleicher
speise ist eine Sperrmembran 18 an der Scheibe 14 angebracht. Durch Meßanschlüsse
19 für die Plusseite und 20 für die Minusseite kann der Meßdruck in die von Deckel
12, Sperrmembran 17 und Dichtung 21 bzw. Deckel15, Sperrmembran 18 und Dichtung
22 begrenzten Kammern eingeführt werden. Am Flansch 9 ist außer dem Meßbalg 5 noch
ein Ausdehnungsbalg 23 druckdicht befestigt.
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Der gesamte Innenraum des Gehäuses 1, der nach außen durch die Biegeplatte
2 und die Sperrmembranen 17 und 18 begrenzt wird, ist mit einer geeigneten Ubertragungsflüssigkeit,
z. B.
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Oel, gefüllt. Dieser Füllraum wird durch die beweglichen Bälge 5 und
23 sowie den Flansch 9, an dem sie angebracht sind, in zwei Hälften unterteilt.
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Der unmittelbar hinter der Sperrmembran 17 liegende Füllraum ist mit
dem Innenraum der Bälge 5 und 23 über das Kanalsystem 24 verbunden, ebenso der Raum
hinter der Sperrmembran 18, mit dem Außenraum an den Bälgen 5 und 23 über das Kanalsystem
25. Im Inneren des Ausdehnungsbalges 23 ist eine Feder 26 untergebracht, deren Spannung
über Scheibe 27 und Schraube 28 einstellbar ist. Scheibe 27 stützt sich auf den
Flansch 9 ab. Ein Einsatzstück 35 ermöglicht ein Auswechseln der Feder 26 zwecks
Anpassung der Uberlastsicherung an eine veränderte Einstellung des Meßbereiches.
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Die Scheiben 11 und 14 werden durch Schrauben 29 auch dann in ihrer
Lage gehalten, wenn die Deckel 12 und 15 abgenommen sind. Ein Füllstück 30 mit Dichtung
31 kann nach Abnehmen der Scheibe 14 herausgenommen werden, so daß die Ankopplung
mit Kopplungsglied 4 zugänglich wird. Eine mit Schraube 34 verschließbare Bohrung
32 führt zu einer Seite des Füllraumes. In dieser Bohrung ist ein Verdrängungskörper
33 zum Abgleich der beiden Füllraumteile auf gleichen Rauinhalt untergebracht.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung wird sie folgt beschriebent Der
über eine Bohrung 19 eingeleitetet beispiels-ise von der Plusseite eines Wirkdruckgebers
abgenommene Druck wirkt über die Spermembran 18 auf die Flüssigkeitsfüllung hinter
dieser Sperrnembran und damit über den Kanal 25 aut die äu#ere Begrenzung des Me#balges
5. Entsprechend wirkt der über die Bohrung 20 eingeleitete, minusseitig am Wirkdruckgeber
abgenommene
Druck über Sperrmembran 17 auf die Füllflüssigkeit und über das Kanalsystem 24 auf
die Innenseite des Meßbales 5. Der am Meßbalg 5 anstehende Druckunterschied erzeugt
eine Kraft auf dem Boden des Meßbalges 5 in Richtung auf die Minusseite. Diese Kraft
übt über das Kopplungsglied 4 einen Zug auf das untere Ende des Krafthebels 3 aus,
so daß eine geringfügige Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn um die als Gelenk
wirkende Biegeplatte 2 auftritt.
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Dieser Drehbewegung wirkt in bekannter Weise das aus Prallplattensystem
8, Vordrossel 7 und Rückführbalg 6 bestehende Kompensationssystem entgegen und bringt
den KraftheLel in seine Ausgangslage zurück.
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Im Falle einer Uberlastung über den zulässigen Differenzdruck hinaus,
legen sich die Sperrmembranen 18 bzw. 17 an die entsprechend profilierten Gegenflächen
der Scheiben 14 bzw.
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11 an. Beispielsweise wird sich bei Uterlastung von der Plusseite
her die Sperrmembran 18 an die Scheite 14 anlegen und dann eine einseitige Oberlastung
bis zum vollen statischen Druck ohne bleibende Deformation oder Zerstörung aushalten.
In einem solchen Fall wird dann das zwischen der Sperrmembran 18 und der Gegenfläche
der Scheibe 14 liegende Flüssigkeitsvolumen verdrängt und muß von dem Raum zwischen
Scheibe 11 und Sperrmembran 17 aufgenommen werden. Um diesen Transport der FUllflüssigkeit
zu ermöglichen, verschiebt sich der als Trennwand wirkende Boden des Ausdehnungsbalges
23, sobald die auf ihn von außen wirkende Kraft größer wird als die mittels Schraube
28 und Scheibe 27 eingestellte Gegenkraft der Druckfeder 26 im Inneren des Ausdehnungsbalges
23. Dieser Balg ist so dimensioniert, daß er die größte auftretende Volumenverschiebung
der Flüssigkeit in beiden Richtungen aufnehmern kann. Durch die
Anordnung
eines besonderen Ausdehnungsbalges 23 wird erreicht, daß der Mebalg 5 während des
Uberlastvorganges seine Normallage beibehält und nicht zur Aufnahme des Verschiebungsvolumens
der Füllflüssigkeit in Anspruch genommen wird. Hieraus resultiert eine sehr wichtige
Schonung des Meßbalges 5 und damit eine Aufrechterhaltung enger Fehlergrenzen iiber
lange Zeiträume. Diese Eigenschaft hat eine weittragende ökonomische Bedeutung wegen
der damit verbundenen Einsparung an Wartungskosten, z. B. für die nach Uberlastung
sonst meist notwendige Nachstellung des Nullpunktes. Um den Temperaturgang des Gerätes,
soweit er von der Volumenveränderung in Folge Ausdehnung der Füllflüssigkeit herrührt,
auf ein Minimum zu bringen, ist es erforderlich, beide Teile des Füllraumes mit
möglichst großer Genauigkeit gleich groß zu machen. Nach Lösen der Verschluß schraube
34 wird ein Verdrängungskörper 33 in die Bohrung 32 eingesetzt, welche so dimensioniert
ist, daß die erforderliche Volumengleichheit der beiden Füllraumteile erreicht wird,
wobei die Bohrung 32 als notwendigerweise vorhandene Einfüllöffnung für die Füllflüssigkeit
benutzt werden kann. Ein besonderer Vorteil ist die vorgesehene Anbringung der Sperrmembranen
17 und ld an den abnehmbaren Scheiben 11 und 14, weil dadurch die Anpassung des
Gerätes an unterschiedliche Korrosionsbeansprachungen. durch das Meßmedium erheblich
vereinfacht wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht in der Ausbildung der Kanäle 24 und 25
dergesta3t, daß sich gleiche Strömungswiderstände ergeben, wodurch ein günstiges
dynamisches Verhalten des Gerätes erzielt wird.
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Um die Ankopplung 4 zwischen Meßbalg 5 und Krafthebel 3 korrekt vornehmen
zu können - die Me#eigenschaften des Gerätes werden hierdurch fühlbar beeinflußt
-, ist ein Füllstück 30 nach Abnehmen der Scheibe 14 herauszunehmen, so daß dann
die Ankopplungsstelle gut zugänglich ist.