DE2262744C2

DE2262744C2 - Druckmesser für Fluidien

Info

Publication number: DE2262744C2
Application number: DE19722262744
Authority: DE
Inventors: Franklin G. Westwood N.J. Reick; Siegfried H.A. Philadelphia Pa. Schmaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-12-21
Filing date: 1972-12-21
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE2262744A1

Description

60

Die Erfindung betrifft einen Druckmesser für Fluidien mit einer aufblasbaren Blase, die in Kontakt mit einer Feder steht, deren eines Ende in dem Gehäuse des Druckmessers verankert ist und deren anderes Ende dazu dient, bei Füllung der Blase ein Anzeigeteil zu bewegen.

Die Messung von absolutem Druck, Überdruck, Vakuum- und Unterdrucken sowie Differentialdruck wird mit Hilfe von zwei Haupttypen von druckempfindlichen Elementen durchgeführt, wobei es sich beim ersten Typ um eine Flüssigkeit handelt, in welcher die Höhe und Dichte der Flüssigkeit zur Druckmessung herangezogen werden, und beim zweiten Typ um eine elastische Druckeinrichtung. Bei den eingangs genannten Druckmessern, mit denen die Erfindung befaßt ist, handelt es sich um solche mit elastischen Druckelementen, die in solcher Weise ausgestaltet sind, daß sie dem physikalischen Gesetz folgen, wonach innerhalb der Elastizitätsgrenze die Belastung proportional der Formänderung ist; die Ablenkung oder der Ausschlag ist demzufolge proportional dem angewandten Druck.

Als ein Druck- oder Vakuumanzeige- oder -steuergerät findet das sogenannte Bourdon-Rohr auf Grund seiner Stabilität, Einfachheit und hohen Anzeigertorsion weit verbreitete Anwendung. Die Wirkungsweise des Bourdon-Rohres basiert auf dem Prinzip, daß ein elastisches Rohr mit einem inneren Querschnitt, der nicht vollständig kreisförmig ist, die Eigenschaft aufweist, beim Verbiegen oder Verdrehen seine Gestalt zu ändern bei inneren Druckveränderungen. Dieser innere Druck führt dazu, daß die Querschnittsform mehr kreisförmig wird, was eine Bewegung des geschlossenen Endes des Rohres verursacht, wenn das offene Ende fest fixiert ist. Diese Bewegung wird »Zeigerspitzenausschlag« genannt.

Das Bourdon-Rohr liegt in drei Haupttypen vor. Der C-Typ wird gebildet durch so starkes Biegen des Rohres, daß ein Kreissegment entsteht, wohingegen der Spiraltyp erzeugt wird durch Verwinden des Rohres um mehr als eine Umdrehung in die Form einer Spirale um eine gemeinsame Achse. Der Schraubentyp wird erzeugt durch Winden mehrerer Umdrehungen des Rohres in die Form einer Schraubenlinie. Eine Bourdon-Feder jedes der bestehenden Typen kann aus einem beliebigen Metall oder einer Metallegierung mit zufriedenstellenden elastischen Eigenschaften hergestellt weraen.

Die Bourdon-Rohre vom »C«-, Spiral- oder Schraubentyp vermögen zwar in verschiedenen Druckbereichen, die bis zu mehr als 7000 bar reichen, zu wirken, in keinem Fall ist es jedoch in der Praxis möglich, derartige Rohre unterhalb etwa 0,85 oder 1,05 bar zu betreiben. Trotz ihrer Vorteile sind daher die Bourdon-Rohre im Niederdruckbereich keine wirksamen Druckmesser.

Durch die US-PS 33 76 750 ist auch bereits ein Druckmesser der eingangs genannten Art bekannt, bei dem, obwohl es sich um einen Druckmesser vom elastischen Typ handelt, kein Bourdon-Rohr vorgesehen ist. Bei diesem Druckmesser ist durch den Druck des Fluids eine Blase aufblasbar, die sich mit ihrer einen Seite an der Innenwandung des Gerätegehäuses abstützt und mit ihrer gegenüberliegenden Seitenfläche an einer Feder anliegt, die bei zunehmender Ausdehnung der Blase zunehmend gebogen wird. Dabei bewegt sich das freie Ende der mit dem anderen Ende am Gerätegehäuse befestigten Feder relativ zum Gehäuse. Diese Bewegung wird über ein Gestänge in eine Drehbewegung eines Zeigers umgesetzt. Nachteilig ist bei diesem Druckmesser, daß das Druckelement über ein Gestänge und nicht direkt auf den das Anzeigeglied bildenden Zeiger einwirkt, was Störanfälligkeit und Ungenauigkeiten der Anzeige zur Folge hat, und daß außerdem die Empfindlichkeit im Niederdruckbereich, ähnlich wie bei der Verwendung des Bourdon-Rohres, ungenügend ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen direkt-wirkenden Druck- und Vakuumfühler oder -messer vom elastischen Typ anzugeben, der im Niederdruckbereich ;u arbeiten vermag.

Das Bedürfnis nach billigen Druckmessern im Niederdruckbereich ist weit verbreitet. So besteht z. B. ein Bedürfnis nach derartigen Vorrichtungen unter anderem in folgenden Anwendungsgebieten:

(a) Druckmesser für Motorboot-Tachometer,

(b) Luftdruckmesser,

(c) Verbrauchsmesser für Verfahrenssteuerungen,

(d) Niederdruckschalter,

(e) Niveauindikatoren und

(f) Vakuummesser.

Erfindungsgemäß soll somit ein einfacher, stabiler und verläßlicher Druck- und Vakuummesser oder -fühler geschaffen werden, der billig herstellbar ist, auf niedrige Drücke oder Vakuumwerte anspricht und Anzeige- oder Steuerungsfunktionen auszuüben gestattet.

Bei einem Druckmesser der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Blase zwischen einem Paar freitragender Federn von verschiedener Länge und Federkonstanten mit einander entsprechenden, praktisch parallel zueinander angeordneten kurvenförmigen Teilen angeordnet ist, wobei das eine Ende der Federn in an sich bekannter Weise auf dem Gehäuse des Druckmessers aufliegt und die Federn an ihren anderen Enden miteinander verbunden sind und in Abwesenheit eines zwischengeschalteten Gangverstärkers direkt ein Anzeigeteil bewegen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung der Blase zwischen zwei freitragenden Federn verschiedener Länge und Federkonstanten führt bei geeigneter Wahl der letztgenannten beiden Parameter zu einer sehr guten Empfindlichkeit im gewählten Druckbereich, wobei der Druckmesser insbesondere auch für den Niederdruckbereich ausgelegt werden kann. Dadurch, daß das Anzeigeglied direktwirkend bewegt wird, ergibt sich außerdem der Vorteil der Robustheit, Einfachheit und der hohen Anzeigegenauigkeit.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher veranschaulicht, in der darstellt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines direktwirkenden Druckmessers nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die in F i g. 1 durch die Linie 2-2 angedeutete Ebene,

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linien 3-3 der Fig. 2,

Fig.4 einen Querschnitt durch die Linien 4-4 der Fig. 1,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht der Blase und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Wirkungsprinzips des Druckmessers.

Gemäß der in Fig. 1 veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform wird ein von etwa 0,2 bis 1,0 bar reichender erfindungsgemäßer VerbrauchsJruckmesser dargestellt. In der Figur wird der Zeiger 10 in Mittelstellung einer bogenförmigen Skala 11 gezeigt, d. h. bei etwa 0,6 bar.

Der Druckfühler oder Druckmesser weist eine auf Druck ansprechende, mit 12 bezeichnete Bauteilgruppe auf, die an einer Buchse 13 verankert ist. Die Buchse wird an der Rückwand 14,4 eines Rahmens 14, der mit einem Gehäuse 21 abgedeckt ist, getragen und die Skala 11 ist durch tine Öffnung in der Vorderwand des Gehäuses sichtbar. Die Buchse 13 ist mit einem Schlauchhalter 15 verbunden, der aus der Rückwand des Rahmens vorsteht, wobei ein Fluidum unter Druck in die Bauteilgruppe zuführbar ist. Eine Befestigungsplatte 14B, die an die Rückwand 14Λ des Rahmens befestigt ist, ermöglicht es, den Druckmesser hinter ein Instrumentenbrett oder eine andere Schaltfläche zu montieren. Mit Hilfe geeigneter / Anordnungen läßt sich der Druckmesser in beliebiger anderer Stellung befestigen. Die Bauteilgruppe 12 wird von zwei flachen Federn 16 und 17 gebildet, die die gleiche Breite, jedoch unterschiedliche Längen aufweisen, so daß die Federn, die aus einem beliebigen geeigneten Metall oder einer Metallegierung des in Bourdon-Rohren zur Zeit verwendeten Typs bestehen können, unterschiedliche Federcharakteristika oder Federkonstanten aufweisen.

Die Federn 16 und 17, die aus metallischem oder Kunststoffmaterial bestehen können, besitzen beide eine ähnliche C-Form und ihre freien Enden sind scharf umgebogen und erstrecken sich seitwärts in einander überlappender Anordnung, und sie sind miteinander verbunden durch eine Niet 18, die als gemeinsamer Kopf für die Bauteilgruppe dient.

Mit Hilfe der Niet 18 an den gemeinsamen Kopf befestigt ist das Querglied 10Λ des Zeigers 10, so daß, wenn der Kopf als Funktion eines angewandten Druckes abgelenkt wird, der Zeiger längs seiner Skala verschoben wird und die Druckgröße anzeigt. In der Praxis kann das Querglied 10Λ eine Verlängerung der Feder 16 darstellen und braucht kein separates Element zu sein. Selbstverständlich sind auch verschiedene andere Hilfsmittel zur Anzeige des Ausmaßes der Kopfablenkung verwendbar, die nicht-mechanischer oder elektrischer Natur sein und als Druckanzeige eine entsprechende Spannung liefern können.

Die Niet 18 hält die Federn im Abstand voneinander, so daß zwischen diesen ein Druckbezirk gebildet wird, der eingenommen wird von einer flexiblen Blase 19, die aus einem nichtpermeablen Material besteht und an den Innenflächen der beiden Federn anliegt. Die Blase ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das einen minimalen Reibungskontakt mit den Federn im Verlaufe der Ablenkung derselben bewirkt.

Das andere Ende der Federn 16 und 17 ist an die Buchse 13 befestigt mit Hilfe einer Schraube 20, die durch eine kreisförmige Öffnung 19/4 (vgl. F i g. 5) in der Blase 19 geführt wird. Dichtungsscheiben 21 und 22 sind am Schaft der Schraube 20 auf jeder Seite der Bauteilgruppe vorgesehen und ein Abstandshalter 23 ist zwischen den Wänden des Mantels angeordnet, wobei im Abstandshalter ein ausgesparter Kanal 23Λ zum Durchlaß des Fluidums aus der Buchse in die Innenkammer der Blase vorgesehen ist. Der Schaft der Schraube 20 weist einen abgeflachten Teii 2OA auf, um den Durchlaß des Fluidums in die Innenkammer zu ermöglichen.

Aufgrund der unterschiedlichen Längen und Federkonstanten der Federn in der die Blase aufweisenden Bauteiluntergruppe wird diese Bauteiluniergruppe, ebenso wie im Falle eines C-förmigen Bourdon-Rohrs, als Funktion des angewandten Druckes abgelenkt. Ist die Innenfeder 17 dünn im Vergleich zur Außenfeder 16, so ist die Vorrichtung dazu vorgesehen, als Vakuummeßeerät zu wirken. Ist hingegen die Bauteilgruppe als Meßgerät für Innendruckanwendungen bestimmt, so ist die Anordnung der Federn umgekehrt und die dünnere Feder befindet sich an der Außenseite und die dickere Feder an der Innenseite. Gemäß jeder dieser Ausfüh-

rungsformen ist offensichtlich, daß die dünnere Feder unter Spannung gehalten werden sollte. In einigen Fällen kann mit Federn gleicher Dicke gearbeitet werden.

Zur Kalibrierung kann die effektive Länge der Federn in bezug aufeinander in üblicher bekannter Weise eingestellt werden. Es ist nicht notwendig, flaches Federnmaterial zu verwenden und in der Praxis können die Federn drahtähnlich sein oder in anderen Querschnittskonfigurationen vorliegen, z. B. in trapezförmiger Ausgestaltung. Außerdem können die Federn, statt, wie in den Figuren gezeigt, in eine C-Form gebogen zu werden, in eine Spiral- oder Schraubenform verformt werden und eine geeignete Blase kann zwischen die im Abstand voneinander gehaltenen Federn eingesetzt werden.

Die Blase 19 weist, wie den F i g. 4 und 5 am besten zu entnehmen ist, eine Streifenform auf und ist so lang, daß sie den Druckbereich zwischen den Federn 16 und 17 ausfüllt. Die Blase hat einen rechtwinkeligen oder länglichen Querschnitt, der durch praktisch parallele obere und untere Wände \9A und 19ß begrenzt wird, die durch eine innere Kammer 19C voneinander getrennt sind. Das verankerte Ende 19Dder Blase ist an jeder Seite so zugeschnitten, daß. wie in F i g. 1 gezeigt, eine Verschlußlasche gebildet wird, die sich unter die Buchse 13 erstreckt, wohingegen das andere oder freie Ende 19£ rechtwinkelig zur Längsachse der Blase zugeschnitten ist, so daß es zwischen die freien Enden der Federn ordentlich hineinpaßt. _SQ

Die Blase ist verzugsweise in Form einer verstärkten Umhüllung aus Kautschuk oder aus synthetischem Kautschuk auf der Basis von Chloropren ausgestaltet, wobei die Oberfläche der Blase behandelt ist, um die Reibung mit den Innenflächen der Federn 16 und 17, an denen sie anliegt, auf ein Minimum herabzudrücken, da eine derartige Reibung zu unerwünschten Hysteresis-Effekten führen kann.

In der Praxis kann eine Blase mit derartigen Charakteristika hergestellt werden mit Hilfe eines Doms in Form eines Rohrstücks aus Polytetrafluoräthyien mit einer darin eingesetzten flachen Metailzunge, um dem Rohr eine abgeflachte Form zu verleihen. Eine Textiliiülse, vorzugsweise gewebt aus einer synthetischen Polyesterfaser von Äthylenglykol und Terephthalsäure oder einem anderen orientierten, nicht-reaktiven, synthetischen Garnmaterial hoher Festigkeit, wird über den Dorn gezogen, wobei ihr eine ähnliche geometrische Form verliehen wird.

Die Hülse wird sodann mit einer feuchtigkeitshärtenden Siliconkautschuklösung imprägniert, beispielsweise mit einer unter der Bezeichnung »Dow Chemical's 92 909 Dispersionw-Überzugsmasse bekannten Masse, und die imprägnierte Hülse wird sodann in eine hydrostatische Presse eingebracht und einem Druck unterworfen, so daß das Imprägniermittel in die Poren des Textilmaterial gedrückt wird.

Nach dem Herausziehen des Dorns werden die Enden der Textilhülse in die erforderliche Form geschnitten und mit derselben Überzugslösung überzogen, um die Enden abzudichten. Um Oberflächen mit ungewöhnlich niedrigen Reibungseigenschaften herzustellen, wird eine gleichförmige Schicht aus winzigen Glaskügelchen auf die Biasenaußenflächen aufgebracht unter Verwendung derselben Silicon-Kautschuklösung, die in diesem Falle als Bindemittel für die Glaskügelchen wirkt.

Die runden, glatten Glaskügelchen, die während des Betriebs des Druckmessers mit den Innenflächen der Federn in Berührung kommen, wirken als Lager mit niedriger Reibung. Um einen Abrieb der Metallflächen durch die Glaskügelchen zu verhindern, werden diese Flächen mit Polytetrafluoräthylen, Graphit oder einem anderen Gleitmittel oder nochgleitenden Material überzogen. Als Folge davon ist die Reibungseinwirkung zwischen den Metallfedern und der Blase merklich vermindert und Hysteresis-Effekte werden vermieden, wobei die Vorrichtung trotz der Einfachheit und billigen Ausgestaltung der Druckmeßstruktur hochgradig genau arbeitet.

Zur einfachen Darstellung der Druckmeßwirkung wird auf F i g. 6 Bezug genommen, die die Bauteilgruppe getrennt vom Rahmen wiedergibt. Die innere Feder ist mit L] bezeichnet und die äußere Feder mit L₂. Das freie Ende der Federn ist am gemeinsamen Kopf A miteinander verbunden und das andere Ende ist bei B verankert. Beide Federn L\ und L₂ sind gleichmäßig belastet durch den Innendruck in der Blase C.

Da die Feder L₂ länger ist, hat sie einen größeren effektiven Bezirk als L₁. Ein im Inneren der Blase C angewandter Druck übt eine gleichmäßige Belastung auf die Federn L\ und L₂ aus und bewirkt, daß sich der Kopf A in Richtung X bewegt aufgrund der unterschiedlichen Kräfte, die auf den gemeinsamen Kopf A einwirken. Das Ausmaß der Bewegung ist proportional dem angewandten Druck und diese Wirkung ist linear, da kein merklicher Grad an Reibung besteht zwischen den Innenflächen der Federn und der Blase.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmesser für Fluidien mit einer aufblasbaren Blase, die in Kontakt mit einer Feder steht, deren eines Ende in dem Gehäuse des Druckmessers verankert ist und deren anderes Ende dazu dient bei Füllung der Blase ein Anzeigeteil zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Blase (19) zwischen einem Paar freitragender Federn (16, 17) von verschiedener Länge und Federkonstanten mit einander entsprechenden, praktisch parallel zueinander angeordneten kurvenförmigen Teilen angeordnet ist, wobei das eine Ende der Federn in an sich bekannter Weise auf dem Gehäuse (21) des Druckmessers aufliegt und die Federn an ihren anderen Enden miteinander verbunden sind und in Abwesenheit eines zwischengeschalteten Gangverstärkers direkt ein Anzeigeteil bewegen.

2. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn eine C-Form aufweisen.

3. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn eine Spiralform aufweisen.

4. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn eine Schraubenform aufweisen.

5. Druckmesser nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anzeigebauteil aus einem Zeiger besteht, dessen Querglied am gemeinsamen Kopf befestigt und der längs einer bogenförmigen Skala bewegbar ist.

6. Druckmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala am Vorderende eines rechteckigen Gehäuses vorgesehen ist, dessen Rückwand die Buchse trägt.

7. Druckmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlauchanschluß vorgesehen ist, der von der Rückwand des Gehäuses wegragt und mit der Buchse verbunden ist.

8. Druckmesser nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blase aus einer verstärkten Kautschukumhüllung gebildet ist.

9. Druckmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kautschukumhüllung von einer gewobenen, mit einem Siliconkautschuk imprägnierten Textilhülse umgeben ist.

10. Druckmesser nach Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung eine Schicht aus winzigen Glaskügelchen aufweist, die an deren Außenflächen gebunden sind, um die Reibung mit den damit in Berührung kommenden Flächen der Federn zu vermindern.

11. Druckmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Kügelchen in Berührung kommenden Flächen der Federn mit einer hochgleitenden Substanz überzogen sind.