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Druckmeßvorrichtuns
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmeßvorrichtung zur Umwandlung
von Drücken oder Druckdifferenzen in ein elektrisches Ausgangssignal mit zwei Druckanschlußteilen,
die jeweils einen Druckeinlaß aufweisen und druckleitend mit zwei hydraulisch parallel
geschalteten Differenzdruckaufnehmern unterschiedlicher Druckempfindlichkeit verbunden
sind, wobei der weniger druckempfindliche Differenzdruckaufnehmer eine Vorrichtung
zur Umwandlung des zu messenden Druckes in eine elektrische Größe aufweist.
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Bei einer bekannten Druckmeßvorrichtung dieser Art (DE-OS 26 40 235)
befinden sich zwei Differenzdruckaufnehmer unterschiedlicher Druckempfindlichkeit
in einem Gehäuseteil, das zwischen zwei Druckanschlußteilen angeordnet ist. Jedes
der beiden Druckanschlußteile enthält einen Druckeinlaß und einen mit diesem verbundenen
Raum, der durch eine Trennmembran abgeschlossen ist. Die Druckanschlußteile sind
druckleitend mit den zwei Differenzdruckaufnehmern verbunden. Die Druckübertragung
von den Trennmembranen zu den Differenzdruckaufnehmern, die hydraulisch parallel
geschaltet sind, erfolgt mit Hilfe einer inkompressiblen Flüssigkeit. Jeder der
beiden Differenzdruckaufnehmer enthält eine druckempfindliche Membran, die von dem
zu messenden Druck entsprechend der Druck- -empfindlichkeit des jeweiligen Differenzdruckaufnehmers
ausgelenkt wird. Der Differenzdruckaufnehmer mit der weniger druckempfindlichen
Membran enthält eine Vorrichtung zur Umwandlung der Membranauslenkung und damit
des zu messenden Druckes in eine elektrische Größe, während der andere Differenzdruckaufnehmer,
dessen Membran vergleichsweise druckempfindlicher ist, die Funktion einer Druckausgleichsvorrichtung
für iiberlastfälle hat.
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Ist eine solche Druckmeßvorrichtung bzw. sind Druckmeßvorrichtungen
ähnlicher Art mit einer einzigen Vorrichtung zur Umwandlung des Meßdruckes in eine
elektrische Größe für einen weiten Druckmeßbereich ausgelegt, so ist bei niedrigen
Drücken die elektrische Größe sehr klein. Das hat zur Folge, daß bei einem der Druckmeßvorrichtung
nachgeschalteten Verstärker der Verstärkungsfaktor erhöht werden muß, wobei sich
der Nullpunkt des Verstärkers verschiebt. Bekannte Druckmeßvorrichtungen mit hoher
Genauigkeit weisen daher nur einen kleinen dynamischen Meßbereich mit einem Verhältnis
der Meßdrücke von beispielsweise 1 : 5 auf, so daß mehrere dieser Druckmeßvorrichtungen
mit verschiedenen Meßbereichen erforderlich sind, um einen weiten Druckmeßbereich
zu erhalten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Druckmessungen in
einem besonders weiten Druckmeßbereich bei hoher MeEgenauigkeit mit einer einzigen
Druckmeßvorrichtung zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist bei der Druckmeßvorrichtung der eingangs
angegebenen Art erfindungsgemäß der druckempfindlichere Differenzdruckaufnehmer
eine Vorrichtung zur Umwandlung des zu messenden Druckes in eine weitere elektrische
Größe auf; an die Vorrichtungen zur Umwandlung des zu messenden Druckes ist eine
elektrische Auswerteeinrichtung angeschlossen, die in Abhängigkeit von der Größe
des zu messenden Druckes das elektrische Ausgangssignal entweder aus der einen elektrischen
Größe oder aus der weiteren elektrischen Größe erzeugt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung besteht darin,
daß im wesentlichen allein durch die Vorrichtung des zu messenden Druckes in eine
elektrische Größe an dem weiteren Differenzdruckaufnehmer zur Umwandlung der Druckmeßbereich
gegenüber der zuvor beschriebenen bekannten Meßvorrichtung unter Erzielung einer
hohen Meßgenauigkeit erheblich erweitert
ist. Ein weiterer Vorteil
besteht in dem vergleichsweise kleinen Aufbau der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung;
dieser ist dadurch erreicht, daß nur zwei Druckanschlußteile für zwei Differenzdruckaufnehmer
vorgesehen sind.
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Die beiden Differenzdruckaufnehmer der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung
können in bekannter Weise Membranen unterschiedlicher Druckempfindlichkeit enthalten,
so daß die Umwandlung niedriger Drücke in eine elektrische Größe weitestgehend in
dem Differenzdruckaufnehmer mit der druckempfindlicheren Membran erfolgt, wobei
die druckunempfindlichere Membran des anderen Differenzdruckaufnehmers kaum ausgelenkt
wird; der Differenzdruckaufnehmer mit der druckempfindlicheren Membran weist eine
Vorrichtung zur Begrenzung der Membranauslenkung auf, so daß bei Überschreiten eines
vorgegebenen Druckes diese Membran keine weitere Auslenkung mehr vollführen kann
und größere Drücke nur noch die druckunempfindlichere Membran des unempfindlicheren
Differenzdruckaufnehmers auslenken. Der gesamte Druckmeßbereich der erfindungsgemäßen
Druckmeßvorrichtung setzt sich also aus dem Meßbereichen der beiden Differenzdruckaufnehmer
zusammen; wenn beide Differenzdruckaufnehmer jeweils einen dynamischen Meßbereich
mit dem Druckverhältnis von 1 : 10 aufweisen, dann erhält man für die gesamte Druckmeßvorrichtung
einen Meßbereich mit dem Druckverhältnis 1 : 100. Beispielsweise ergibt sich bei
einem Meßbereich des einen Differenzdruckaufnehmers von 10 bar bis 100 bar und des
weiteren Differenzdruckaufnehmers von 100 bar bis 1000 bar für die Druckmeßvorrichtung
ein gesamter Meßbereich von 10 bar bis 1000 bar.
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Anstelle von Membranen unterschiedlicher Druckempfindlichkeit können
beispielsweise auch Balse entsprechender Empfindlichkeit in den Differenzdruckaufnehmern
verwendet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung läßt sich mit der elektrischen
Auswerteeinrichtung ein einziges elektrisches Ausgangssignal der erfindungsgemäßen
Druckmeßvorrichtung unabhängig davon erzeugen, in welchem Bereich der zu messende
Druck jeweils liegt. Bei Messung von niedrigen Drücken erzeugt die Auswerteeinrichtung
das Ausgangssignal aus der elektrischen Größe, die der druckempfindlichere Differenzdruckaufnehmer
liefert, während bei höheren Drücken das Ausgangssignal von dem druckunempfindlicheren
Differenzdruckaufnehmer stammt. Daher stehen auch bei Messungen von niedrigeren
Drücken ausreichend hohe Meßsignale zur Verfügung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Druckmeßvorrichtung bilden die beiden Druckanschlußteile, beiderseits an einer Trennwand
anliegend, eine Einheit; an jedem Druckanschlußteil ist eine Trennmembran angebracht,
die in engem Abstand von der Trennwand liegt und gemeinsam mit dieser jeweils einen
Raum für den Druckeinlaß begrenzt. Durch den engen Abstand der Trennmembranen voneinander
werden weitgehend die Meßfehler reduziert, die durch die jeweilige Schräglage der
Druckmeßvorrichtung verursacht werden.
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Entsprechend der Schräglage der Druckmeßvorrichtung übt nämlich die
Druckübertragungsflüssigkeit auf die Differenzdruckaufnehmer einen zusätzlichen
Druck aus, der vom gegenseitigen Abstand der Trennmembranen abhängig ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung und in den Figuren 2A und 2B ein bekannter
Differenzdruckaufnehmer mit Trennmembranen in unterschiedlicher Lage dargestellt.
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In Figur 1 ist eine Druckmeßvorrichtung dargestellt, die einen Differenzdruckaufnehmer
1 zur Messung von hohen Drücken und einen weiteren Differenzdruckaufnehmer 2 zur
Messung von
niedrigen Drücken enthält. Die Druckmeßvorrichtung enthält
weiterhin zwei Druckanschlußteile 7a und 7b mit zwei Trennmembranen 5 und 6. Die
beiden Druckanschlußteile 7a und 7b bilden mit einer dazwischen liegenden Trennwand
12 eine Einheit, wobei sie über jeweils zwei Druckleitungen 13 und 15 mit den Differenzdruckaufnehmern
1 und 2 verbunden sind; die Differenzdruckaufnehmer 1 und 2 sind über eine Druckleitung
14 miteinander verbunden. Die Druckleitungen 13 bis 15 enthalten eine Druckübertragungsflüssigkeit
8. Weiterhin sind eine Membran 3 zur Erfassung von hohen Drücken und eine Membran
4 zur Aufnahme von niedrigen Drücken vorhanden.
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Der zu messende Druck gelangt durch einen Druckeinlaß 11a bzw.
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11b in die Druckanschlußteile 7a und 7b und bewirkt eine Auslenkung
der Trennmembranen 5 und 6. Das hat eine Verschiebung der Druckübertragungsflüssigkeit
8 in den Druckleitungen 13 und 15 zur Folge, wobei der zu messende Druck auf die
Membranen 3 und 4 in den jeweiligen Differenzdruckaufnehmern 1 und 2 übertragen
wird und die Membranen auslenkt.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich beiderseits
der jeweiligen Membran 3 bzw. 4 zwei feste Elektroden 9, zwischen denen die jeweilige
Membran als bewegliche dritte Elektrode angeordnet ist; jede Membran 3 bzw. 4 bildet
mit den ihnen zugeordneten festen Elektroden 9 eine Vorrichtung zur Umwandlung des
zu messenden Druckes in eine elektrische Größe. Bei Änderung der jeweiligen druckproportionalen
Membranauslenkung variiert entsprechend die Kapazität der Elektrodenanordnung, wobei
die Kapazitätsänderungen von der elektrischen Auswerteeinrichtung 10 erfaßt werden.
Diese liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das in Abhängigkeit von der Höhe
des zu messenden Druckes entweder von dem Differenzdruckaufnehmer 2 zur Erfassung
von niedrigen Drücken oder von dem Differenzdruckaufnehmer 1 zur Erfassung von hohen
Drücken stammt.
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Der zu messende Druck wird von den Druckanschlußteilen 7a und 7b mit
Hilfe der Druckübertragungsflüssigkeit 8 in den Druckleitungen 13 und 15 zu den
Differenzdruckaufnehmern 1 und 2 geleitet. Dabei bewirken niedrige Drücke eine druckproportionale
Auslenkung der Membran 4, während die Membran 3 kaum ausgelenkt wird. Andererseits
ist die Auslenkung der Membran 4 bei hohen Drücken so groß, daß sie sich gegen eine
der festen Elektroden 9 abstützt, wodurch eine weitere Auslenkung der Membran 4
verhindert wird. Das hat zur Folge, daß nur noch die Membran 3 druckproportional
ausgelenkt wird. Auf diese Weise kann die Verschiebung der Druckübertragungsflüssigkeit
8 in den Druckleitungen 13 bis 15 klein gehalten werden, weil die Druckanschlußteile
7a und 7b mit den Differenzdruckaufnehmern 1 und 2 über die Druckübertragungsflüssigkeit
8 druckleitend verbunden sind und weil der Abstand zwischen den Druckanschlußteilen
7a und 7b bzw. ihren Trennmembranen 5, 6 klein gehalten werden kann. Dadurch wirken
sich Meßfehler, die durch eine Schräglage der Druckmeßvorrichtung verursacht werden,
nur gering aus.
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Werden zur Messung von Differenzdrücken den Druckanschlußteilen 7a
und 7b jeweils verschiedene Drücke zugeführt, so wird der Differenzdruck entsprechend
seiner Größe entweder von dem einen oder dem anderen Differenzdruckaufnehmer erfaßt,
wobei eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden kann.
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Im folgenden wird dargelegt, auf welche Weise bei der erfindungsgemäßen
Druckmeßvorrichtung Meßfehler reduziert werden, die durch die jeweilige Lage der
Druckmeßvorrichtung verursacht werden.
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In den Figuren 2A und 2B ist jeweils ein bekannter Differenzdruckaufnehmer
mit-einer Meßmembran dargestellt, wobei die Lage dieser Meßmembran in Figur 2A vertikal
und in Figur 2B horizontal ist
Der Differenzdruckaufnehmer selbst
besteht aus zwei Metallringen 20 und 21, die zwei Isolationskörper 22 und 23 umgeben.
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Die Meßmembran 28 ist zwischen den miteinander verschweißten Metall
ringen 20 und 21 angeordnet. Die Isolationskörper 22 und 23 weisen an ihren der
Meßmembran 28 gegenüberliegenden Seiten konkave Aussparungen auf, an denen zwei
Elektroden 29 und 30 angeordnet sind. An den Metallringen 20 und 21 sind weiterhin
zwei Trennmembranen 26 und 27 angebracht. Jeder der beiden Isolationskörper 22 und
23 enthält eine Durchlaßöffnung 24 bzw. 25. Innerhalb des Differenzdruckaufnehmers
ist der Raum zwischen der Meßmembran 28 und den Trennmembranen 26 und 27 mit einer
Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt. Wirken auf die Stirnseiten des Differenzdruckaufnehmers
verschiedene Drücke Pl und P2, so wird die Meßmembran 28 entsprechend dem Differenzdruck
P = P2 - P1 ausgelenkt und eine entsprechende Kapazitätsänderung hervorgerufen.
Bei einer vertikalen Lage der Meßmembran 28 erfaßt diese nur die Druckdifferenz
P.
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Ein Meßfehler, verursacht durch die Lage des Differenzdruckaufnehmers,
tritt nicht auf.
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Bei einer waagerechten Lage der Meßmembran 28, wie sie in Figur 2B
dargestellt ist, wirkt zusätzlich auf die Meßmembran 28 eine Schwerkraft, deren
Größe von der bis zu 50 mm betragenden Höhendifferenz H abhängt. Die Schwerkraft
lenkt die Meßmembran 28 zusätzlich aus und verursacht so einen Lagefehler. Auch
bei einer schrägen Lage der Meßmembran 28 tritt eine Höhendifferenz auf, die einen
entsprechenden Meßfehler verursacht.
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Wird die erfindungsgemäße Druckmeßvorrichtung nach Figur 1 in eine
solche Lage gebracht, daß die Membranen 3 und 4 horizontal liegen, so wirkt durch
die Druckleitung 14 auf jede Seite der Membranen 3 und 4 der gleiche Druck. Daher
verursacht die Höhendifferenz zwischen den Differenzdruckaufnehmern 1 und 2 keinen
lagebedingten Meßfehler. Die zwischen den Trennmem-
branen 5 und
6 bestehende Höhendifferenz kann mit einer Größenordnung von 4 bis 5 mm sehr klein
gehalten werden, so daß der dadurch verursachte Meßfehler vernachlässigbar ist.
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Die erfindungsgemäße Druckmeßvorrichtung läßt sich als industrielles
Meßinstrument zur Messung von Drücken oder Druckdifferenzen, die sich in einem sehr
weiten Bereich ändern können, einsetzen. Bei einer weiteren Anwendungsmöglichkeit
kann die Druckmeßvorrichtung als Vergleichsinstrument zur Kalibrierung von Industrie-
oder Labormeßgeräten verwendet werden, indem diese mit dem Vergleichsinstrument
in eine gemeinsame Lage gebracht werden und einem gemeinsamen ansteigenden Meßdruck
ausgesetzt sind. Entsprechend ihrer Anwendung kann die erfindungsgemäße Druckmeßvorrichtung
einen Uberlastungsschutz gegen zu hohe Drücke enthalten und können die Trennmembranen
korrosionsfest ausgeführt sein.
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3 Figuren 2 Patentansprüche