DE2263901A1

DE2263901A1 - Messumformer

Info

Publication number: DE2263901A1
Application number: DE19722263901
Authority: DE
Inventors: John Erik Andersson
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-28
Publication date: 1973-07-12
Also published as: SE369626B; DE2263901B2; FR2170621A5; GB1417020A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. RICHARD GLAWE · DIPL-ING. KLAUS DELFS · DSPL-PHYS. DR. WALTER MOLL MÖNCHEN HAMBURG MÜNCHEN

8MDNCHEN26 2 HAMBURG 52

POSTFACH 37 WAITZSTR. 12 LIEBHERRSTR. 20 TEL. (0411) 89 22 55

TEL. (0811) 22 65 48 TElEX 21 29 21 spez TELEX 52 25 05 »pez

IHRE NACHRICHT VOM UNSER ZEICHEN MÖNCHEN

A 15

aktiebolaget bofors

6yO 20 Bofors/ Schweden

Meßumformer

Die Erfindung betrifft einen Meßumformer bzw. ein in einem Meßumformer verwendbares Element, insbesondere einen Druckmeßumformer zum Messen von Gas- oder Flüssigkeitsdrükken. Der Meßumformer umfaßt ein rohrförmiges Außenteil und ein in diesem koaxial angeordnetes Innenteil. Außen- und Innenteil sind an einem ihrer Enden mit einer Membran verbunden. Ferner sind zwei oder mehr auf Scherung beanspruchbare Meßstege oder -balken vorgesehen, die sich zwischen Innen- und Außenteil erstrecken und Meßfühler bzw. Meßstreifen tragen. Diese Meßbalken sind scheibenförmig ausgebildet und stehen mit ihren Kanten senkrecht zur Membran. Das ganze Element kann als eine dem jeweiligen Meßobjekt b·-

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sonders angepaßte Einheit ausgebildet sein, kam aoer auch eine gesonderte Einheit bilden, die von dem Meßobjekt umschlossen ist, welches für eine entsprechende Befestigung geeignet ausgebildet ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung soll ein Meßumformer der genannten Art geschaffen werden, der mechanisch besonders stabil, von einfacher Konstruktion und billig in der Herstellung ist.

Ferner soll der erfindungsgemäße Meßumformer besonders für die Verwendung in einem feuchten, staubigen oder in sonatiger Weise angreifenden Umgebung geeignet sein. Bei der Messung von Drücken von Flüssigkeiten oder Gasen, z.B. auch korrosiven Flüssigkeiten oder Gasen, sind die Anforderungen an die chemische Beständigkeit des Meßumformers besonders hoch. In diesem Fall ist es wichtig, daß die Dehnungsmeßfühler oder -streifen vor dem Gas oder der Flüssigkeit geschützt sind, d.h. der Meßumformer muß der Forderung genügen, die Meßfühler hermetisch zu umschließen, wenn der Meßumformer zur Messung von Differentialdrücken verwendet wird.

Ferner soll der Meßumformer gemäß der Erfindung keinerlei Verbindungsstellen aufweisen, welche zu Kriechvorgängen„ Hystereaisersoheinungen, verstärkten Auebiegungen, TeDspe ^ätur*bveichung*n od.dgl. führen. Eine aus der US-PS 3 '''" "'< Dekannte Vorrichtimg ist beispielsweise n>it e-.aer gi ο8m

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zahl von Verbindungsstellen versehen, die gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden werien. Im Vergleich zu dieser bekannten Vorrichtung hat die ^rfindungsgemäße Vorrichtung eine wesentlich dünnere Membran, wodurch der durch die Membran bewirkte KraftnebenscLiuß verringert wird. Ein kleinerer Kraftnebenschluß bedeutet unter anderem eine geringere Empfindlichkeit beim Einbau. Beispielsweise müssen die Teile der bekannten Vorrichtung mit außerordentlich großer Genauigkeit hergestellt werden, was bei der erfindungsgemaßen Vorrichtung nicht erforderlich ist.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßumformers besteht darin, daß er bei sehr geringen Drücken anwendbar ist. Ein Meßumformer für niedrige Drücke hat große Vorteile, beispielsweise bei der Erddruckmessung.

Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen sehr weiten Meßbereich von insbesondere 5 - 200 Kp/cm aus. Die bekannte Vorrichtung arbeitet im wesentlichen nur im Bereich um und unter 5 Kp/cm .

Weitere Vorteile der erfindungsgemaßen Vorrichtung sind ein kleines Innenvolumen, kleine Änderungen des Innenvolumens, eine große Wirkfläche, eine hohe Eigenfrequenz, ein guter überlastungsschutz und gute Kühlmöglichkeit. Insbesondere aufgrund der letzteren Forderungen sind Meßfühler mit auf Biegung beanspruchten Meßbalken in diesem Zusammenhang nicht verwendbar.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die auf Scherung beanspruchten Meßbalken gegen die Membran stehend ausgebildet sind, daß die Heßbalken einstückig mit der Membran und dem Innen- und Außenteil zusammenhängen und daß die Membran relativ schwach ausgebildet ist.

Ausfuhrungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1a zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit zwei Meßbalken.

Fig. 1b zeigt die Ausführungsforin nach Fig. 1a irn Schnitt längs der Linie A-A.

Fig. 1c zeigt eine Einzelheit dieser ,iusführungsforrn im Schnitt.

Fig. 2 zeigt das Prinzip einer i;rückenschaltung für die Dehnungsmeßfühler der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fi^. 3 zeigt in Draufsicht eine Ausfülirurigsform der Erfindung mit vier Fleß balken.

j·¹;·.-. U zeigt die Aucführuj;;,;-,! orn n^ch Fig. 3 im Schnitt.

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Fig. 5 und 6 zeigen im Schnitt AusfUhrungsformen mit hermetischer Einschließung der Meßbalken und Dehnungsmeßfühler.

Fig. 7 und 8 zeigen im Schnitt eine Ausführungsform mit

überlastungsschutz im unbelasteten und im belasteten Zustand.

Fig. 9 und 10 zeigen Draufsichten von weiteren Ausführungsformen.

Fig. 11a zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform mit hoher !Eigenfrequenz.

Fig. 11b zeigt die Ausführungsform nach Fig. 11a im . Schnitt.

Fig. 12a zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform mit Kanälen für eine Flüssigkeitskühlung.

Fig. 12b zeigt die Ausführungsform nach Fig. 12a im Schnitt.

In Fig. 1a bis 1c ist das Außenteil mit 1 bezeichnet. Dieses Auöenteil ist als Hohlzylinder ausgebildet. Koaxial in dem Auljenteil ist ein Innenteil 2 angeordnet, und Außen- und Innenteil sind an einem ihrer Enden mit einer Membran

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verbunden. Die Membran hängt einstückig mit dem Außen- und Innenteil 1 und 2 zusammen. Zwisehen der Innenfläche des Außenteils und der Außenfläche des Innenteils sind zwei heßbalken 4 eingefügt, und zwar an symmetrisch über den Umfang des Außenteils verteilten Stellen. Die Balken 4 sind schei- , benförmig und haben gerade Seitenflächen. Die Balken stehen hochkant gegen die Membran 3, d.h. sie liegen in der Zeichenebene von Fig. 1b. Bei dieser Anordnung wirkt jeder l-Ießb&lken im Prinzip als ein an einem Unde fest eingespannter Balken, bei dem die Kraft am freien, aber parallel geführten Ende angreift. Durch die Ausbildung und Anordnung der Balken wird ein auf die Außenseite der Membran wirkender Druck Scherspannungen und entsprechende Verformungen der Balken bewirken. Diese Verformungen werden von Dehnungsmeßfühlern bzw. -streifen 5 erfaßt, die an den Balken angebracht sind, wobei die Dehnungsmeßfühler vorzugsweise an der neutralen achse des jeweiligen Balkens angeordnet sind, so daß sie von Biegungen des Balkens im wesentlichen unabhängig sind. Fig. 1b zeigt ferner als Beispiel, wie der Meßfühler mit dem anderen Ende des Außenteils 1 an einer Halterung 6 od.dgl. an dem jeweiligen Meßobjekt befestigt werden kann. In einer zur Membran 3 senkrechten Ebene ist jeder Balken 4 rechteckig oder quadratisch.■

Jeder Meßbalken trägt bei der dargestellten Ausführungsform auf jeder Seite einen Dehnungsmeßfühler 5A, B, C oder D. Jeder Dehnungsmeßfühler ist unter 45° zur Längsrichtung des

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Balkens angeordnet, und auf jeweils einem Balken stehen die beiden Meßfühler unter 90° zueinander, so daß für eine "bestimmte zu messende Kraft in dem Balken der eine Meßfühler eine positive und der andere Meßfühler eine negative Dehnung mißt. Die Meßfühler können bei der dargestellten Ausführungsform aus sogenannten Kreuzgitter-Meßfühlern (Cross-Gridg&uges) bestehen. Die Dehnungsmeßfühler sind in an sich bekannter V/eise zu einer Meßbrücke verbunden, wie in Fig. B dargestellt, wobei die Meßdrücke störende Einflüsse, z.B. von Seitenkräften od.dgl., kompensiert. Ein Anzeigegerät zeigt in bekannter Art ein elektrisches Signal an, welches proportional zum anliegenden resultierenden Druck ist.

Die Meßbalken 4 hängen einstückig mit dem Außenteil 1 und Innenteil 2 und der Membran 3 zusammen, so daß das ganze ließumformerelement eine einstückige Einheit bildet. Die Membran 3 und die Meßbalken 4 sind so dimensioniert, daß letztere den wesentlichen Teil der Kraft aufnehmen, die aus dem Druck oder den Drücken resultiert. Die nachstehende Tabelle gibt den Prozentsatz der angelegten Kraft an, den eine Membran mit der Dicke von 0,'j mm bei den jeweils angegebenen ];imonsioniei'imgen auinimmt.

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Meßbereich	a	b	A	U
ο kp/cm	mm	mm	mm	%
5	30	20	3,1	0,2
10	30	20	6,3	4,1
20	iy	13	5,0	β,2
50	19	13	12,0	3,3
100	9	5	5,6	14, ϋ

Die Längen a und b sind in Fi^. 1b angegeben, während
A die Querschnittsfläche eines ließbaikens ist.

Das Element ist verhältnismäßig eng, d.h. nur 10 - 15 /o des Außendurchmessers des Außenteils.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform entspricht
der nach Fig. 1a und 1b mit Ausnahme der Anzahl der heßbnlken 4, die hier vier beträgt. Fig. 4 zeigt, daß jeder Baiken einstückig mit der Membran 3 zusammenhängt und sich bis zur Höhe der anderen Stirnflächen des Innen- und Außenteils 1, 'i. erstreckt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsforin, bei der eine hermetische Einschließung der Meßbalken 4 und der zugehörigen Dehnung smeß fühl er durch eine weitere Membran 7 erhalten wird,
die ringförmig ausgebildet ist. Die Außenkante des Rings ist am Außenteil 1 befestigt. Diese AusfüJirungsform ist geeignet zur Messung von uifferentialdrückcn, die aus entgegengosetz-

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ter Richtung auf den Innenteil 2 und die Membranen 3 und 7 wirken. Die Druckrichtungen sind in Fig. 5 angedeutet, die in Prinzip auch die ßinspannung des Meßumformers in diesem Fall zeigt. Als Alternative kann die hermetische Abschliessung auch durch eine weitere Membran erfolgen, die die obere stirnfläche des Innen- und Außenteils 1 und 2 überdeckt, wie es in Fig. ü mit dem ßezugszeichen ö angegeben ist. Die hermetisch abgeschlossenen Räume bei den Ausführungsforinen nach Fig. 5 und 6 können leicht evakuiert werden.

Fig. 7 und 3 zeigen, daß der Meßumformer mit einem Überlastungsschutz versehen werden kann. In diesem Fall ragt der Autienteil 1 an der oberen stirnfläche über den Innenteil hinr.us. Der rießumformer wird dann an einem Gerät oder Meßobjekt 9 mit ebener Stirnfläche ya befestigt, welches mit der Stirnfläche des Innenteils 2 zusammenwirken kann. Durch dieses Zusammenwirken wird die Bewegung der Membran begrenzt, wenn der Innenteil gegen die erwähnte Stirnfläche 9a anliegt (Fig. 8).' Das Gerät oder Meßoböekt y ist bei der ebenen Stirnfläche 9a mit Ausnehmungen 9b gegenüber den Meßbalken 4 versehen. Hierdurch wird verhindert, daß die Meßbalken gegen die Stirnfläche gedrückt werden, auch wenn sie aufgrund ihrer Herstellung Unebenheiten aufweisen.

Fig. y und 10 zeigen abgeänderte Ausführungsformen der Meßbalken 4. Fig. 9 zeigt eine herstellungsmäßig besonders günstige Ausführungsform, da die Seitenflächen jedes Meßbai-

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kens in einem parallel zur Membran bzw. zur Zeichenebene liegenden Querschnitt konkav ausgebildet sind. Die Dehnun£;smeiifühler werden an den Stellen des Meßbalkens angeordnet, v/o dieser am dünnsten ist. Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, die besonders für höhere Drücke vorteilhaft ist. In diesem Fall wurde die Länge jedes Meßbalkens vergrößert, damit die Dehnungsmeßfühler leichter angebracht werden können. Diese Verbreiterung erfolgt durch besondere Ausnehmungen 10, 11, die sich über die ganze Höhe des Innen- und Außenteils 1 und 2 oder nur über einen Teil dieser Höhe erstrecken.

Die Ausführungsform nach Fig. 11a und 11b ermöglicht einen Meßumformer mit hoher Eigenfrequenz. Der Innenteil ist mit Öffnungen 12 und 13 versehen, die in ihrem zur Membran bzw. zur Zeichenebene von Fig. 11a parallelen Querschnitt segmentförmig ausgebildet sind. Die Öffnungen erstrecken sich von der freien Stirnfläche des Innenteils nahezu über die gesamte Höhe des Innenteils.

Der Meßumformer kann auch mit einem Kanal 14 für· kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, versehen sein, wie in Fig. 12a und 12b gezeigt. Die Kühlmittelkanäle haben einen oder mehrere Einlasse 14a und einen oder mehrere Auslässe 14b. Der Kanal kann aus einer Nut bestehen, die mit einer ringförmigen Membran oder Scheibe 15 abgedeckt ist. Selbstverständlich kann die Anzahl der Kanäle auch größer als eins sein.

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Zahlreiche Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann der Heßumformer auch zur Messung von Belastungen und Kräften ausgebildet sein. Die Anzahl der Heßbalken kann verändert werden und beispielsweise auch drei
betragen. Das ganze Element kann aus rostfreiem Stahl oder
einem anderen geeigneten Material hergestellt sein.

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Claims

Patentansprüche

M .J Ileßumformerelement, insbesondere für einen Druckmeßumi'ormer zur Messung von Gas- und Flüssigkeitsdrücken, mit einem rohrförmigen Außenteil und einein koaxial in die sein angeordneten Innenteil, einer Membran, mit der Innen- und Aussenteii an einem Ende verbunden sind, und zwei oder mehr zwischen dem Außen- und Inrienteii sich erstreckenden, c.uf Scherung beanspruchten, Dehnungsmeßluhler tragenden lleßhal- ken, die scheibenförmig ausgebildet sind und hochkant zur Membran angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Scherung beanspruchten Meßbalken (4) gegen die Membran (3) stehend ausgebildet sind, daß die Meßbalken einstückig mit der Membran (3), dem Innenteil (2) und dem Außenteil (1) zusammenhängen, und daß die Membran (3) relativ schwach ausgebildet ist.

2. Element nach Anspruch 1, wobei das Außenteil als Hohlzylinder und das Innenteil als Zylinder ausgebildet sind, dadurch gekennz e i chne t, daß die Hohe des Innen- und Außenteils im Vergleich zum Außendurchmesser des Außenteils (1) niedrig ist und insbesondere nur 10 - 15/-J dieses Außendurchmessers beträgt.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -

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k e η η ζ e i c h η e t, uaß die Anzahl der· Meßbalken (4) drei oder vier beträgt.

4. jülemenb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadui'ch g e ic e η η ζ e χ c h η e t, daß Jeder Meßbalken (4) in oiner zui' iiewbron senkrechten Ebene rechteckig; oder quadratisch ist.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen jedes Meßbalkens (4) derart gekrümrat sind, daß sie in einem zur Membran parallelen Querschnitt konkav sind, und daß die Dehnun.i;smeßfühler an jedem Balken an den Stellen angeordnet sinci, wo der balken am dünnsten ist.

υ. Element nsch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenteil (1, 2) an der ßefestigungssteile der Balken (4) mit Ausnehmungen (1ü, 11) versehen sind, die die Länge der Balken vergrößern, wodurch auch bei Meßumformern für hohe Drücke eine große Fläche für die Anbringung der Meßfühler zur Verfügung steht.

7. üllement nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch

g e k e η η ζ e ic h η e L, daß am anderen Unde des Außenteils (Ί) und Innen te LIs (2) oino v/eitere 1-iembran (B) angebracht ist, die die i=t!iibalken (4) und Dehnungsrießfühler (^) hut-iitctLücu aiiischiioi·t.

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ti. Element nach einem der· Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennte ich η et, dai3 um anderen Ende de?; Außenteils (1) und Innenteils (2) eine ringförmige Membran (/) befestigt ist, die mit ihrer ioujonkante ai:i Außen teil (I) und mit ihrer Innenkante am Innenteil (2) derart beltstigt ist, daß sie die MeIibalken (4) und Dehnungsmeßfühler (5) hermetisch einschließt.

'■j. Element nach einem der Ansprüche 1 bis ö, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenteil (1) an seinem anderen Ende über das Innen teil (2) hinausragt derart, daß sich bei Anbringung des Meßumformers an einer ebenen Stirnfläche (9a) eines Meßgerätes oder -Objekts (9) ein Überlastungsschutz ergibt.

10. Element nach einem der Ansprüche 2 bis ^CJ, dadurch gekennzeichnet, daß im Außenteil(1)ein oder mehrere Uingkanäle (14) für Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlvrasser, vorgesehen ist.

11. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, da ("3 zur Erhöhung der Eigenfrequenz Ausnehmungen (12, 13) im Innenteil (2) vorgesehen sind, die von dessen freier stirnfläche ausgehen und in dem zur Membran (3) parallelen Querschnitt segmentförmig ausgebildet sind.

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