DE2951854A1

DE2951854A1 - Differenzdruck-messumformer

Info

Publication number: DE2951854A1
Application number: DE19792951854
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Ai; Yoshitaka Matsuoka; Takeo Nagata; Yutaka Sakurai; Satoshi Shimada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-06-26
Also published as: JPS5585236A; US4306460A; DE2951854C2; GB2040456B; GB2040456A

Description

295185A

HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Differenzdruck-Meßumformer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdruck-Meßumformer mit Waagebalken und Halbleiter-Dehnmeßstreifen, insbesondere eine verbesserte Befestigung des Waagebalkens.

Bei Differenzdruck-Meßumformern mit Waagebalken ist auf einer oder jeder Oberfläche des Waagebalkens ein Dehnmeßstreifen durch Verkleben, Aufdampfen, Löten oder Schweißen befestigt. Das eine Waagebalkenende ist an einem Hauptteil des Meßumformers befestigt, und das andere Waagebalkenende ist frei verlagerbar. Im Betrieb wird die dem Differenzdruck entsprechende Verlagerung als eine Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnmeßstreifens erfaßt.

Normalerweise sind Differenzdruck-Meßumformer unmittelbar an Prozeß-Rohrleitungen in verschiedenen industriellen Anlagen, z. B. Chemiebetrieben, Stahlwerken, Erdölraffinerien u. dgl., befestigt. Da Differenzdruck-Meßumformer zum Außeneinsatz vorgesehen sind, müssen sie großen Verwendungstemperatur-Schwankungen z. B. zwischen -kO ⁰C und +120 ⁰C standhalten können. Auch unterliegen sie unmittelbar in der

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Umgebung auftretenden Schwingungen. Somit werden Differenzdruck-Meßumformer unter extrem erschwerten Bedingungen eingesetzt .

Herkömmlicherweise erfolgt das Festlegen des einen Waagebalkenendes durch Schrauben. Allerdings besteht dabei die Gefahr, daß dieses Waagebalkenende durch wiederholte Änderungen der Umgebungstemperatur gelockert wird, weil die Werkstoffe von Waagebalken und Befestigungselementen unterschiedliche Wärmedehnzahlen haben. Durch diese Lockerung ergibt sich der Nachteil einer Nichtlinearität der Charakteristik des Differenzdruck-Meßumformers und eine erhöhte Hysterese. Außerdem wird die Funktionsfähigkeit des Meßumformers infolge einer langsamen zeitlichen Änderung allmählich verschlechtert, so daß der Meßumformer schließlich unbrauchbar wird. Ein solcher Differenzdruck-Meßumformer ist z. B. in der US-PS 3 363 456 angegeben.

Ferner ist bei dieser Art von Differenzdruck-Meßumformer Platz zum Eindrehen der Schrauben, mit denen das Waagebalkenende befestigt wird, erforderlich, wodurch es wiederum schwierig ist, kleine und leichte Differenzdruck-Meßumformer zu konstruieren und zu bauen. Dabei werden die Verbindungen zwischen dem Waagebalken und dem Befestigungselement, zwischen letzterem und dem hermetischen Dichtungskörper sowie zwischen letzterem und dem Hauptteil des Meßumformers durch Schweißen hergestellt. Dabei besteht allerdings die Gefahr einer Trennung oder Rißbildung an den Schweißstellen zwischen dem hermetischen Dichtungskörper und dem Hauptteil infolge von wärmebedingten Formänderungen des hermetischen Dichtungskörpers.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Differenzdruck-Meßumformers, der durch die Umgebungstemperatur und durch

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Vibrationen weniger stark als bisher beeinflußbar ist und bei dem die Gefahr einer Rißbildung in den Schweißstellen vermindert ist.

Der Differenzdruck-Meßumformer nach der Erfindung, mit einem Waagebalken und mit wenigstens einem Dehnmeßstreifen, der an einem Mittenabschnitt des Waagebalkens auf dessen Oberfläche(n) befestigt ist, wobei der Waagebalken mit einem Ende an einem Befestigungselement festgelegt ist, während sein anderes Ende frei verlagerbar ist, so daß die Verlagerung als eine Änderung des elektrischen Widerstands des bzw. der Dehnmeßstreifen erfaßbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Waagebalken an dem einen Ende durch Schweißen an dem Befestigungselement befestigt ist.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist bei einem Differenzdruck-Meßumformer der angegebenen Art vorgesehen, daß die Befestigung des hermetischen Dichtungskörpers an dem Hauptgehäuse durch Verschweißen eines ringförmigen Vorsprungs des hermetischen Dichtungskörpers mit dem Hauptgehäuse des Meßumformers erfolgt.

Durch die Erfindung wird also ein Differenzdruck-Meßumformer angegeben, der einen Waagebalken und ein an einem Mittenabschnitt auf jeder Seite desselben befestigten Halbleiter-Dehnmeßstreifen aufweist. Ein Waagebalkenende ist durch Elektronenstrahlschweißen an einem Befestigungselement befestigt, und das andere Waagebalkenende ist aufgrund eines Differenzdrucks frei verlagerbar. Die Verlagerung des anderen Waagebalkenendes wird als Änderung des elektrischen Widerstands der Halbleiter-Dehnmeßstreifen erfaßt.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des Hauptteils eines Ausführungsbeispiels des Differenzdruck-Meßumformers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Waagebalken und das Befestigungsteil eines weiteren Ausführungsbeispiels des Differenzdruck-Meßumformers ;

Fig. 3 eine Schnittansicht III-III nach Fig. 2; und

Fig. 4 eine größere Schnittansicht der Schweißverbindung zwischen dem Waagebalken und seinem Befestigungselement entsprechend dem weiteren Ausführungsbeispiel des Differenzdruck-Meßumformers.

Nach Fig. 1 werden zwei zu messende Drücke in einen Hochdruck-Flansch 1 bzw. einen Niederdruck-Flansch 2 durch einen Hochdruck-Einlaß 11 bzw. einen Niederdruck-Einlaß 12 eingeführt. Der Hochdruck- und der Niederdruck-Flansch 1 bzw. sind an einem Hauptgehäuse 110 über Dichtungselemente mit Schrauben und Muttern k, 5 befestigt. Eine Hochdruck-Membran 120 und eine Niederdruck-Membran 130 sind am Hauptgehäuse 110 an Teilen desselben befestigt, die nahe dem Hochdruck- bzw. dem Niederdruck-Flansch 1 bzw. 2 liegen. Ein Mittelstück 140 ist in der Mitte jeder Membran bzw. 130 befestigt. Diese Mittelstücke 140 sind miteinander durch eine Koppelstange 150 verbunden, so daß die Hochdruck-Membran 120 und die Niederdruck-Membran 130 gleichzeitig verschoben werden. Ein Waagebalken 170 ist mit der Koppelstange 150 durch eine Blattfeder 160 so verbunden, daß er durch diese verlagerbar ist.

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Ein Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180, der ein Dehnungs-Widerstands-Umformelement ist, ist haftend mit dem Waagebalken 170 verbunden. Der Waagebalken 170 hat einen zylindrischen Befestigungsteil 190, der in einer Bohrung 200a des Befestigungselements 200 aufnehmbar ist. Bei der Montage erfolgt nach dem Einsetzen des zylindrischen Befestigungsteils 190 in die Bohrung 200a Elektronenstrahlschweißen um den oberen Rand des Befestigungsteils 190, so daß der Waagebalken 170 am Befestigungselement 200 festgelegt wird. Nach dem Einsetzen des Befestigungsteils 190 in die Bohrung 200a des Befestigungselements 200 wird der obere Rand des Befestigungsteils 190 symmetrisch in bezug auf die Achse des Waagebalkens 170 mit dem Befestigungselement 200 verschweißt und fest damit verbunden. Das Befestigungselement 200 seinerseits ist mit einem hermetischen Dichtungskörper 220 verschweißt. An dem hermetischen Dichtungskörper 220 ist ein ringförmiger Vorsprung 220a gebildet. Dieser ist mit dem Hauptgehäuse 110 durch Elektronenstrahlschweißen verbunden, wodurch der hermetische Dichtungskörper 220 fest mit dem Hauptgehäuse 110 verbunden ist.

Damit ist der Waagebalken 170 am Hauptgehäuse 110 über das Befestigungselement 200 und den hermetischen Dichtungskörper 220 befestigt.

Der Raum zwischen der Hoch- und Niederdruck-Membran 120, 130 und dem Hauptgehäuse 110, zwischen den Membran-Mittelstücken 1^0 und der Koppelstange 150 und dem Hauptgehäuse 110 sowie der Raum 330 zwischen der aus Waagebalken 170, Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180, Befestigungselement 200 und hermetischem Dichtungskörper 220 bestehenden Baugruppe und dem Hauptgehäuse 110 sind mit einer Flüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllt.

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Das vom Halbleiter-Dehnmeßstreifen 180 abgeleitete elektrische Signal wird einem Verstärker (nicht gezeigt) über eine Zuleitung 210, die einen Temperaturausgleich für den Dehnmeßstreifen 180 bewirkt, und durch den hermetischen Dichtungskörper 220, der eine Abdichtung gegen Außendruck bewirkt, zugeführt.

Der vorstehend erläuterte Differenzdruck-Meßumformer arbeitet wie folgt.

Durch den Hochdruck-Einlaß 11 des Hochdruck-Flanschs 1 und den Niederdruck-Einlaß 12 des Niederdruck-Flanschs 2 werden ein Hochdruck- und ein Niederdruck-Fluid eingeführt. Die Drücke dieser Fluide beaufschlagen die Hochdruck-Membran 120 bzw. die Niederdruck-Membran 130. Infolgedessen werden die Membranen durch die Differenz zwischen diesen Drücken bewegt. Diese durch den Differenzdruck bewirkte Bewegung wird dann auf das Ende des Waagebalkens 170 über die Mittelstücke 140 der Membranen, die Koppelstange 150 und die Blattfeder 160 übertragen. Die Verlagerung des Endes des Waagebalkens 170 erzeugt eine Dehnung im Dehnmeßstreifen 180, so daß sich dessen elektrischer Widerstand ändert.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel erfolgt nicht nur das Festlegen des Waagebalkens 170 am Befestigungselement 200, sondern auch das Festlegen dieses Befestigungselements 200 an dem hermetischen Dichtungskörper 220 und das Festlegen des letzteren am Hauptgehäuse 110 durch Schweißen. Daher ist es möglich, einen sehr genauen Differenzdruck-Meßumformer zu bauen. Gleichzeitig kann die Größe des Waagebalkens 170 auf ca. 2/3 vermindert werden, da er keinen Abschnitt zum Festlegen mittels Schrauben aufzuweisen braucht. Da ferner der Raum zum Eindrehen von Schrauben entfällt, ist der Meßumformer insgesamt klein und leicht.

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Durch Verschweißen des Waagebalkens 170 und des Befestigungselements 200 symmetrisch in bezug auf die Waagebalken-Achse gleichen sich die in den Schweißstellen erzeugten thermisch bedingten Formänderungen gegenseitig aus, so daß die Verlagerung des Waagebalkens nicht von solchen thermisch bedingten Formänderungen beeinflußt ist und der Einfluß von durch Temperaturschwankungen und Hysterese hervorgerufenen Meßabweichungen kleingehalten wird.

Ferner ist zu beachten, daß dadurch, daß der hermetische Dichtungskörper 220 mit seinem ringförmigen Vorsprung 220a mit dem Hauptgehäuse 110 verschweißt ist, thermisch bedingte Formänderungen die hermetische Dichtung 220b nicht beeinträchtigen, so daß ein Lösen des hermetischen Dichtungskörpers von der hermetischen Dichtung 220b sowie eine Rißbildung vermieden werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 erläutert.

Ein Drehnmeßstreifen 180 ist auf jeder Seite eines Waagebalkens 230 befestigt; der Waagebalken besteht aus einem Werkstoff mit einer Wärmedehnzahl, die derjenigen des Dehnmeßstreifens 180 angenähert ist. Der Waagebalken 230 umfaßt einen Befestigungsteil 240, an dessen Umfang ein Vorsprung 280 gebildet ist. Das Befestigungselement 270 weist einen Vorsprung 290 auf, der an der Wandung seiner Innenbohrung gebildet ist. Die vom Dehnmeßstreifen 180 kommenden Zuleitungen verlaufen durch eine Zuleitungs-Durchführung 230 zum hermetischen Dichtungskörper 220.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, werden der Vorsprung 280 des Befestigungsteils 240 und der Vorsprung 290 des Befestigungselements 270 aneinandergelegt und durch Elektronen-

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strahlschweißen miteinander verbunden, so daß eine Schweißstelle 260 entsteht.

Es ist ersichtlich, daß der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1 gleicht, wobei nur die Ausbildung des Waagebalkens 230 und des Befestigungselements 270 anders ist; infolgedessen ist die Funktionsweise im wesentlichen die gleiche und wird daher nicht näher erläutert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. Z-k wird durch die Schweißstelle 260 und desen Außenumfang eine Rißbildung infolge der unterschiedlichen Wärmedehnzahlen des Waagebalkens 230 und des Befestigungselements 270 bei einem Temperaturabfall nach dem Schweißen wirksam verhindert, da solche Spannungen durch die elastische und plastische Verformung der Vorsprünge in der Schweißstelle 260 aufnehmbar sind.

Durch das Vorsehen der Vorsprünge ergibt sich ferner der Vorteil, daß die Wärmezufuhr während des Schweißens vermindert wird und der Waagebalken 230 und das Befestigungselement 270 geringere wärmebedingte Formänderungen erfahren, was wiederum zu einer verbesserten Funktionsfähigkeit des Differenzdruck-Meßumformers beiträgt.

Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen wird zwar Elektronenstrahlschweißen angewandt, das Schweißen kann aber auch mit Laserstrahlen oder durch andere Schweißverfahren erfolgen.

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Claims

Ansprüche

1. Differenzdruck-Meßumformer,

- mit einem Waagebalken, und

- mit wenigstens einem Dehnmeßstreifen, der an einem
Mittenabschnitt des Waagebalkens auf dessen Oberfläche(n) befestigt ist,

wobei der Waagebalken mit einem Ende an einem Befestigungselement festgelegt ist, während sein anderes Ende frei
verlagerbar ist, so daß die Verlagerung als eine Änderung des elektrischen Widerstands des bzw. der Dehnmeßstreifen erfaßbar ist,
dadurch gekennzeichnet

- daß der Waagebalken (170; 230) an dem einen Ende durch
Schweißen an dem Befestigungselement (200; 270) befestigt ist.

2. Differenzdruck-Meßumformer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Schweißen zwischen dem Waagebalken (170; 230) und

dem Befestigungselement (200; 270) im wesentlichen symmetrisch zur Waagebalken-Achse erfolgt.

3. Differenzdruck-Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Waagebalken (230) und das Befestigungselement (270) jeweils einen Vorsprung (280, 290) aufweisen, wobei die Vor-

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sprünge (280, 290) aneinandergelegt und miteinander verschweißt sind, so daß der Waagebalken (230) und das Befestigungselement (270) aneinander festgelegt sind (Fig. 2-4).

4·. Differenzdruck-Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Waagebalken (170) einen zylindrischen Befestigungsteil (190) aufweist, der in einer im Befestigungselement (200) gebildeten Bohrung (200a) aufnehmbar ist, und daß die Endfläche des zylindrischen Befestigungsteils (190) mit dem Befestigungselement (200) verschweißt ist, so daß der Waagebalken (170) mit dem Befestigungselement (200) fest verbunden ist (Fig. 1).

5. Differenzdruck-Meßumformer,

- mit einem Hauptgehäuse, das zwischen einem Hochdruck- und einem Niederdruck-Flansch liegt, deren jeder einen Druckeinlaß aufweist,

- mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Membran, die an dem Hochdruck- bzw. dem Niederdruck-Flansch befestigt sind,

- mit Mittelstücken, die mit der Hochdruck- und der Niederdruck-Membran verbunden sind,

- mit einer Kopplungsstange, über die die Mittelstücke miteinander verbunden sind,

- mit einer der Kopplungsstange zugeordneten Feder,

- mit einem Waagebalken, auf dessen wenigstens einer Oberfläche in einem Mittenabschnitt ein Halbleiter-Dehnmeßstreifen haftend angeordnet ist,

- mit einem Befestigungselement, an dem ein Ende des Waagebalkens festgelegt ist, und

- mit einem hermetischen Dichtungskörper, über den das Befestigungselement am Hauptgehäuse befestigt ist,

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- wobei das andere Ende des Waagebalkens mit der Feder verbunden ist,

- der durch das Hauptgehäuse, die Hochdruck- und die Niederdruck-Membranen, die Mittelstücke, die Kopplungsstange, den Waagebalken, das Befestigungselement und den hermetischen Dichtungskörper definierte Raum mit einem Fluid gefüllt ist,

- die Hochdruck- und die Niederdruck-Membran mit einem durch die Hochdruck- und Niederdruck-Einlässe eingeleiteten Hoch- bzw. Niederdruck beaufschlagbar sind, so daß das andere Waagebalkenende durch die Druckdifferenz verlagerbar ist, und

- die Verlagerung als eine Änderung des elektrischen Widerstands des bzw. der Dehnmeßstreifen erfaßbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß das eine Ende des Waagebalkens (170; 230) an dem Befestigungselement (200; 270) durch Schweißen befestigt ist, wobei das Schweißen im wesentlichen symmetrisch zur Waagebalken-Achse erfolgt.

6. Differenzdruck-Meßumformer,

- mit einem Waagebalken,

- mit wenigstens einem Halbleiter-Dehnmeßstreifen, der an einem Mittenabschnitt des Waagebalkens auf dessen Oberfläche(n) haftend angeordnet ist,

- mit einem Befestigungselement, an dem ein Waagebalkenende festgelegt ist, und

- mit einem hermetischen Dichtungskörper, über den das Befestigungselement am Hauptgehäuse des Meßumformers befestigt ist,

- wobei das andere Waagebalkenende nach Maßgabe eines Differenzdrucks frei verlagerbar ist und

- die Verlagerung als eine Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnmeßstreifens erfaßbar ist,

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dadurch gekennzeichnet,

- daß das eine Ende des Waagebalkens (170; 230) an dem Befestigungselement (200; 270) durch Schweißen befestigt ist, und

- daß der hermetische Dichtungskörper (200) ebenfalls durch Schweißen mit seinem ringförmigen Vorsprung (220a) an dem Hauptgehäuse (110) befestigt ist.

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