DE3021477A1 - Druckmessgeraet - Google Patents

Druckmessgeraet

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DE3021477A1
DE3021477A1 DE19803021477 DE3021477A DE3021477A1 DE 3021477 A1 DE3021477 A1 DE 3021477A1 DE 19803021477 DE19803021477 DE 19803021477 DE 3021477 A DE3021477 A DE 3021477A DE 3021477 A1 DE3021477 A1 DE 3021477A1
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DE
Germany
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pressure
membrane
insulating liquid
insulating fluid
filled
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19803021477
Other languages
English (en)
Inventor
Mitsuru Dipl Ing Tamai
Takeshi Dipl Ing Yasuhara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Publication of DE3021477A1 publication Critical patent/DE3021477A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Description

  • Druckmeßgerät
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein bekanntes Druckmeßgerät dieser Art, mit dem sich in einfacher Weise ein Druck in eine elektrische Größe zur Anzeige oder Verarbeitung in einer Steuereinrichtung umsetzen läßt, ist in Fig. 1 drrgestellt. Das bekannte Druckmeßgerät weist einen äußeren Zylinder 1 auf, in dessem Innern eine isolierende Scheibe 2 angeordnet ist. Diese Scheibe 2 ist an ihren beiden Oberflächen 3a und 3b konkav gewölbt ausgebildet. Elektroden 4a und 4b aus Metallfolie sind auf die Oberflächen 3a und 3b aufgebracht. ZuSUhrungsleitungen 5a und 5b sind an die betreffenden Elektroden 4a und 4b angeschlossen und durch die isolierende Scheibe 2 und eine- mit einem isolierenden Teil 6 versehene Öffnung in der Wand des äußeren Zylinders 1 geführt sowie am Boden des Druckmeßgerätes herausgeführt. Die isolierende Scheibe 2 ist mit einem durchgenden Loch 7 versehen, welches in axialer Richtung von der Oberlläche 3a zur Oberfläche 3b führt. Eine Meßmembran 8a und eine weitere Meßmembran Sb sind an die beiden Seiten des äußeren Zylinders 1 fiüssigkeitsundurchlässig angeschweißt.
  • Eine Isolierflüssigkeit (z. B. Silikonöl) ist in einen Innenraum eingefüllt, der durch den äußeren Zylinder 1, die Meßmembran 8a und die weitere Meßmembran Sb begrenzt wird. Die Isolierflüssigkeit dient einer elekgrisshen Isolation zwischen den Elektroden 4a und 4b und den Meßmembranen 8a und 8b sowie einer Uber- ertragung des Drucks zwischen den inneren Oberflächen der Meßmembranen 8a und 8b. Die Elektroden 4a und 4b liegen den Meßmembranen 8a und8b derart gegenüber, daß sie mit ihnen Kondensatoren bilden, zwischen denen sich die Isolierflüssigkeit befindet. Außenplatten 11a und 11b, die Membranhalter darstellen, sind auf die entsprechenden Außenseiten der Meßmembranen 8a und 8b aufgebracht. Die Außenplatte 11a ist mit einer Ausnehmung 9a und einem durchgehenden Loch 10 versehen.
  • Die andere Außenplatte 11b ist mit einer Ausnehmung 9b verstehen. Beide Außenplatten 11a und 11b sind mittels Schrauben 12 und Muttern 13 zusammengeschraubt. Die Ausnehmung 9b ist durch die Meßmembran 8b abgeschlossen und bildet einen weiteren Innenraum, der auf einem Referenzdruck gehalten ist. Ein zu messender Druck liegt durch das durchgehende Loch 10 im Inneren des Druckmeßgerätes an, wobei ein Unterschied zwischen diesen beiden Drücken eine Auslenkung ins Innere des Druckmeßgerätes derjenigen Meßmembran verursacht, welche dem niedrigen Druck ausgesetzt ist und ene Auslenkung nach außen bei der Meßmembran, welche dem höheren Druck ausgesetzt ist. Die Auslenkungen bewirken eine Veränderung der Kapazität zwischen den Meßmembranen und denElektroden 4a und 4b, so daß eine Anzeige des zu messenen Drucks ermöglicht ist.
  • Das beschriebene Druckmeßgerät ist insofern nachteilig, als, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, die Isolierflüssigkeit expandiert, woraufhin die Membranen 8a und 8b nach außen verstellt werden, was zu einer Xnderung der Kapazitäten zwischen den Membranen 8a und 8b sowie den Elektroden 4a und 4b und damit zu einem Fehler bei der Druckmessung führt. Wenn andererseits die Umgebungstemperatur nennenswert absinkt, zieht sich die Isolierflüssigkeit zusammen, die Membranen können jedoch dieser Zusammenziehung nicht folgen, wodurch ein Torricelli-Vakuum in der Isolierflüssigkeit entsteht, die dann die Drücke nicht genau übertragen kann, was wiederum zu Meßfehlern führt.
  • Im allgemeinen ist der äußere Zylinder 1 als Stahl und die Membranen 8a und 8b aus einem Material hoher Elastizität hergestellt, so daß sie einen unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Demzufolge ist die Temperaturausdehnung und Zusammenziehung in radialer Richtung der Membranen 8a und 8b und an den Stirnflächen des äußeren Zylinders 1 unterschiedlich, wodurch Änderungen in den Kräften entstehen, die radial auf die Membranen einwirken, was Meßfehler zur Folge hat.
  • Es ist deshalb das in Fig. 2 dargestellte Meßgerät vorgeschlagen worden, das die oben aufgeführten Schwierigkeiten nicht macht. Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2, in der mit dem Gerät nach Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, hat die isolierende Scheibe 2 ein durchgehendes Loch 7 und Oberflächen 3a und 3b, diekonkav gewölbt ausgebildet sind; auf den Oberflächen 3a und 3b sind Elektroden 4a und 4b aufgebracht. Die Membran 8b ist der Elektrode 4b gegenüberliegend angeordnet und an einem Membranträger 20 gehalten, der einen größeren Durchmesser als die Membran 8b besitzt. Die Membran 8b kann einen integralen Bestandteil des Membranträgers 20 bilden. Sie kann aber auch aus einem Material mit im wesentlichen demselben Temperaturausdehnungskoeffizienten hergestellt und mit dem Membranträger verschweißt sein. Die Membran 8b und der Membranträger 20 bilden zusammen einen weiteren Innenraum 21, in dem der Referenzdruck herrscht.
  • Ein äußerer Zylinder 1 umgibt die isolierende Scheibe 2 und bildet ein zusammenhängendes Teil mit einer Referenzelektrode 22, die der Elektrode 4a gegenüberliegt.
  • Der äußere Zylinder 1 und die Referenzelektrode 22 können auch aus verschiedenen Teilen mit im wesentlichen gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen und miteinander durch Schweißen verbunden sein. Der äußere Zylinder 1 und der Membranträger 20 können aus demselben Material oderais Materialien mit im wesentlichen gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen undmiteinander verschweißt sein. Die Referenzelektrode 22 ist auf ihre von der Elektrode 4a abgewandten Seite in der Oberfläche wellenförmig ausgestaltet; dieser Seite liegt eine Trennmembran 23 gegenüber, die eine entsprechend gestaltete Oberfläche aufweist.
  • Der Zwischenraum zwischen der Referenzelektrode 22 und der Trennmembran 23 ist über ein Durchgangsloch 24 mit dem Raum zwischen der Elektrode 4a und der Refev renzelektrode 22 verbunden und über das durchgehende Loch 7 auch mit dem Raum zwischen der Elektrode 4b und der Membran 8b verbunden; alle diese Räume sind mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt, die beispielsweise ein Silikonöl oder ein Mineralöl sein kann. Eine Druckkammer 25, die von der Trennmembran 23 und einer Deckelplatte 26 gebildet ist, steht über eine Bohrung 27 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die isolierende Scheibe 2, der äußere Zylinder 1, die Membran 8b, der Membranträger 20 und die Referenzelektrode 22 sind zusammengefügt und in einem zylindrischen, topfartigen Behälterteil 28 untergebracht, wobei der Membranträger 20 mit einem Vorsprung 29 in eine Bohrung im Behälterteil 28 eingreift und dort verschweißt ist. Das Behälterteil 28 und die Deckelplatte 26 sind in nicht dargestellter Weise mittels Schrauben und Bolzen miteinander verbunden. Die Trennmembran 23 ist das mehrere 10- oder 100fach flexibler als die Membran 8b, so daß sie frei dem zu messenden Druck in der Kammer 25 nachgeben kann und den Druck auf die Isolierflüssigkeit überträgt. Die Membran 8b ist entsprechend der Druckdifferenz zwischen der Isolierflüssigkeit und dem Referenzdruck in dem weiteren Innenraum 21 verstellt, was zu einer Anderung der Kapazität zwischen der Membran 8b und der Elektrode 4b führt. Diese Kapazitätsänderung und die gleichbleibende Kapazität zwischen der Referenzelektrode 22 und der Elektrode 4a werden über Leitungen 30, 31 und 32 miteinander verglichen, die an die Elektroden 4a und 4b sowie an das Behälterteil 28 geführt sind, um ein Ausgangssignal entsprechenlder Differenz aus dem zu messenden Druck und dem Referenzdruck zu erzeugen.
  • Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2 ist die Trennmembran 23 ausreichend flexibel und kann daher der Ausdehnung und der Zusammenziehung der Isolierflüssigkeit bei Temperaturänderung folgen, so daß die Membran 8b nicht deformiert wird und kein Torricelli-Vakuum entsteht.
  • Da der äußere Zylinder 1, der Membranträger 20, die Membran 8b und die Referenzelektrode 22 aus einem Werkstoff mit demselben oder im wesentlichen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen, werden sie keinen inneren Beanspruchungen bei Temperaturänderungen unterworfen, und die Membran 8b bleibt frei von Kräften, die auf sie in radialer Richtung einwirken.
  • Der weitere Innenraum 9b nach Fig. 1 bzw. 21 nach Fig. 2 steht normalerweise unter Vakuum. Die Bestandteile sind im Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen zusammengefügt.
  • Es kann aber auch der weitere Innenraum 21 mit einem Entlüftungsrohr versehen sein, über das die Luft abgezogen wird, bis darin ein Vakuum sich entwickelt hat; daraufhin wird das Entlüftungsrohr verschlossen.
  • Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2 ist das Entlüftungsrohr vorzugsweise an dem Vorsprung 29 des Membranträgers 20 angebracht.
  • Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, daß Druckmeßgeräte der oben beschriebenen Art solange gut arbeiten, als Druckmeßwerte über dem Atmosphärendruck erfaßt werden. Anderenfalls tritt aus der Isolierflüssigkeit Gas aus, so daß die Isolierflüssigkeit ein schlechter Druckübertrager wird, wenn Druckmeßwerte unterhalb des Atmoshärendruckes gemessen werden sollen.
  • Daraufhin angestellte weitere Untersuchungen haben ergeben, daß das erzeugte Gas aus Feuchtigkeit der Isolierflüssigkeit, aus Gas, Wasser und Verunreinigungen, die in der Isolierflüssigkeit gelöst sind, oder aus Gas, Verschmutzung und Wasser, die von den Bestandteilen des Druckmeßgerätes absorbiert sind, besteht. Um das Entstehen eines solchen Gases zi verhindern, ist es notwendig, eine Isolierflüssigkeit mit einem Dampfdruck zu verwenden, der ausreichend niedrig in Bezug auf den erwarteten Temperaturbereich während der Druckmessung ist; ferner sollen Feuchtigkeit, Gas und Verunreinigungen durch Filterung und Erhitzen aus der Isolierflüssigkeit entfernt werden, und die Bestandteile des Druckmeßgerätes sollen erhitzt werden,um die absorbierten Gase und die absorbierte Feuchtigkeit auszutreiben.
  • Es ist indessen praktisch schwierig, alle diese Anforderungen zu erfüllen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßgerät vorzuschlagen, bei dem aus der Isolierflüssigkeit selbst dann keine Gase austreten, wenn der Druck des Vakuums gemessen werden soll.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe steht bei einem Druckmeßgerät der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Isolierflüssigkeit unter einem Druck vom etwa 33 mbar oder mehr.
  • Durch Versuche hat sich gezeigt, daß eine Isolierflüssigkeit unter einem Druck von 33 mbar oder mehr selbst dann keinen Gasaustritt zuläßt, wenn ein Druck von 0 mbar gemessen werden soll. Dabei richtet sich der Druck der Isolierflüssigkeit nach dem Bereich, in dem der zu messende Druck liegt, und ist jeweils so gewählt, daß stets ein Uberdruck vorliegt.
  • Nimmt man an, daß der Referenzdruck 0 mbar beträgt. und die Isolierflüssigkeit unter einem Druck vom 65 mbar steht, dann führt ein Meßdruck in einem Bereich vom 130 mbar bereits von einer 50prozentigen Verschiebungdes DJullpunktes bei einem zu messenden Druck vom 0 mbar.
  • Dies ist auf die schlechte Linearität des Druckmeßgerätes und einer gestiegenen Beanspruchung der Membran zurückzuführen. Vermeiden läßt sich dies gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß der Referenzdruck dem Druck entspricht, unter dem die Isolierflüssigkeit steht.
  • Eine Druckänderung oPt in Abhängigkeit von einem Ansteigen der Temperatur des Druckmeßgerätes von to oC um t 0C kann durch folgende Beziehung (1) ausgedrückt werden: Pt = V A, t QJ (1) In dieser Gleichung bedeutet das Verhältnis der Xnderung von Membrandruck und Volumen in mbar/cm3, V das Volumen der Isolierflüssigkeit in cm3 und di den Temperaturausdehnungskoeffizienten der Isolierflüssigkeit. Eine solche Druckänderung in der IsolierflUssigkeit führt zu einem Meßfehler bei Temperaturänderungen. Der Referenzdruck Ps ist dem absoluten Druck proportional. Demgemäß kann eine Druckänderung h Ps im weiteren Innenraum bei einem Temperaturanstieg um tOC durch folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden: Die Druckänderungen C) Ps und a Pt in Abhängigkeit von Temperaturänderungen um t°C verlaufen in derselben Richtung. Wenn die Druckänderungen Ps und A Pt gleich sind, werden Änderungen des Druckes in der Isolierflüssigkeit und im Referenzdruck gleich, und das DruckmeB-gerät arbeiet frei von Fehlern infolge Temperaturänderungen. Um dies zu erreichen, ist gemäß einer weiteren Fortbildung der Erfindung die Meßmembran so ausgebildet, daß sie folgender Beziehung (3) genügt: # = Ps (3) V . α . (273 + to) Wird Helium oder Kohlendioxid, das zum Auffinden von Leckstellen benutzt wird, als Gas zur Erzeugung des Referenzdruckes in dem weiteren Innenraum benutzt, dann kann der weitere Innenraum mit dem Referenzdruck einfach auf seine Gasdichtigkeit überprüft werden, was zu einer höheren Zuverlässigkeit des Druckmeßgerätes führt.
  • Obgleich die Erfindung bisher nur im Zusammenhang mit der Messung von Drücken und damit mit Druckmeßgeräten mit einem abgeschlossenen weiteren Innenraum mit dem Referenzdruck beschrieben worden ist, läßt sie sich auch bei Meßgeräten zum Erfassen von Differenzdrücken einsetzen; hierbei geht es um einen zweiten zu messenden Druck, weshalb der weitere Innenraum mit der Atmosphäre verbunden ist. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, Meßfehler infolge von Temperaturänderungen dadurch zu eliminieren, daß der Referenzdruck gleich dem Druck in der Isolierflüssigkeit gewählt wird.

Claims (4)

  1. Patentansprüche Druckmeßgerät mit einem allseitig abgeschlossenen Innenraum, der mit einer Isolierflüssigkeit gefüllt ist, mit mindestens einer mit dem zu messenden Druck beaufschlagten Meßmembran, die mit einer feststehenden, flächenhaften Elektrode einen Kondensator mit variabler Kapazität in dem Innenraum bildet, und mit einem an die Meßmembran angrenzenden weiteren Innenraum, in dem ein Referenzdruck herrscht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Isolierflüssigkeit unter einem Druck von 33 mbar oder mehr steht.
  2. 2. Druckmeßgerät nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Referenzdruck dem Druck entspricht, unter dem die Isolierflüssigkeit steht.
  3. 3. Druckmeßgerkt nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Membranen so bemessen sind, daß sie der Bedingung Ps 0 V JL(273 + to) genügen, in der einen Membranfaktor, der das Verhältnis der Änderung von Membrandruck und Volumen in mbar/cm3 wiedergibt, Ps den Referenzdruck in mbar in dem weiteren Innenraum (9b; 21), V -die Menge der IsolierflAssigkeit in cm3, o; den Teinperaturausdehnungskoeffizienten der Isolierflusgigkeit und to eine Referenztemperatur in OC angibt.
  4. 4. Druçkmeßgerät nach einem der vorangehenden AnsprUche, d a a u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der weitere Innenraum (9b; 21) mit Helium und Kohlendioxid gefüllt ist.
DE19803021477 1979-06-04 1980-06-04 Druckmessgeraet Withdrawn DE3021477A1 (de)

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JP6969979A JPS55160830A (en) 1979-06-04 1979-06-04 Pressure measuring device

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DE (1) DE3021477A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0165302A1 (de) * 1983-12-09 1985-12-27 Rosemount Inc. Druckfühler mit einem wesentlich flachen überdruckstop für das messungsdiaphragma
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JPS6136610B2 (de) 1986-08-19
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