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Druckmeßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät mit den Merkmalen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein äußerer Zylinder 1 umgibt die isolierende Scheibe 2 und bildet
ein zusammenhängendes Teil mit einer Referenzelektrode 22, die der Elektrode 4a
gegenüberliegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der weitere Innenraum 9b nach Fig. 1 bzw. 21 nach Fig. 2 steht normalerweise
unter Vakuum. Die Bestandteile sind im Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen zusammengefügt.
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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.
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Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2 ist das Entlüftungsrohr vorzugsweise
an dem Vorsprung 29 des Membranträgers 20 angebracht.
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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.
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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.
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Es ist indessen praktisch schwierig, alle diese Anforderungen zu erfüllen.
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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.
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Zur Lösung dieser Aufgabe steht bei einem Druckmeßgerät der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß die Isolierflüssigkeit unter einem Druck vom etwa
33 mbar oder mehr.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.