DE3919299A1 - Wellmembran - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellmembran der im Ober
begriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Wellmembranen werden vorteilhaft in Druckmeßgeräten und
Druckregelgeräten verwendet, wobei entweder der absolute Druck
oder der Differenzdruck gemessen bzw. geregelt wird. Mittels
einer Druckmessung können auch andere Größen bestimmt bzw.
geregelt werden, die sich auf eine Druckmessung zurückführen
lassen. Genannt seien hier Höhenmessungen, Temperaturmessungen
und Messungen durchfließender Volumina eines Mediums.
Gestalt und Eigenschaften von Wellmembranen sind ausführlich
beschrieben in M. Di Giovanni: "Flat and corrugated diaphragm
design handbook", 1982, Marcel Dekker Verlag, New York. Darin ist
näher ausgeführt, auf welche Weise sich bestimmte Eigenschaften
einer Membran verändern lassen.
Wenn mittels einer eine Membran enthaltenden Vorrichtung ein
Druck in eine beispielsweise elektrische Größe gewandelt werden
soll, so haben die Eigenschaften der Membran eine besondere
Bedeutung. Besteht zwischen dem Druck und der gewandelten Größe
ein linearer Zusammenhang, so ist es besonders zweckmäßig, eine
Membran mit streng linearer Kraft/Weg-Kennlinie einzusetzen und
auch bei jenem Wandler, der den mechanischen Weg in ein
elektrisches Signal umwandelt, einen solchen mit linearer
Kennlinie zu verwenden.
Bei Durchflußmeßgeräten (DE 32 44 688) ist es üblich, den Druck
abfall über ein Strömungshindernis, - ein Ventil oder eine
Meßblende -, zu erfassen und die Druckdifferenz zwischen dem Raum
vor dem Strömungshindernis und dem Raum hinter dem Strömungs
hindernis in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Diese
sogenannte Durchflußmessung nach dem Wirkdruckverfahren erfordert
es, den mittels einer Meßmembran gewonnenen Weg so in ein
elektrisches Signal umzusetzen, daß dem nichtlinearen Zusammen
hang zwischen Druckdifferenz und Durchflußmenge Rechnung getragen
wird. Bei Verwendung einer Meßmembran mit linearer Kraft/Weg-
Kennlinie und eines Weg/Spannungswandlers mit ebenfalls linearer
Kennlinie ist wegen des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der
Druckdifferenz Δ p und der Durchflußmenge q v gemäß
wobei und k 1 und k 2 Korrekturfaktoren bedeuten, ein weiterer
Wandler erforderlich, der den der Durchflußmenge proportionalen
Meßwert radiziert.
Im Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook, Seite 337, ist
beschrieben, wie vorgegangen werden kann, um Membrandosen mit
nichtlinearer Kennlinie zu schaffen. Es ist auch bekannt,
Membrandosen durch Zusammensetzen mehrerer Wellmembranen mit
unterschiedlicher Kennlinie zu gewinnen. Solche Membrandosen, wie
sie beispielsweise in hochgenauen Höhenmessern für Flugzeuge
Verwendung finden, sind außerordentlich teuer in der Fertigung
und kommen deshalb für Massenprodukte wie Durchflußmesser nicht
in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach
herzustellende Wellmembran zu schaffen, bei der der aus der
Druckdifferenz über der Wellmembran resultierende Weg eine
möglichst genaue Annäherung an die Wurzelfunktion der Druck
differenz ist, so daß bei Verwendung der Wellmembran zur Durch
flußmessung nach dem Wirkdruckverfahren ein zusätzlicher Wandler
mit radizierender Kennlinie entbehrlich ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen genannt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen unmaßstäblichen zentrischen Schnitt
durch eine Wellmembran,
Fig. 2 eine Meridianlinie einer Wellmembran entlang
ihres Radius gemäß einem ersten Ausführungs
beispiel,
Fig. 3 eine Meridianlinie gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4 eine Meridianlinie gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel.
In der Fig. 1 bedeutet 1 eine Wellmembran. Deren Meridianlinie
ist hier und in den weiteren Figuren mit 2 bezeichnet. Die
Wellmembran 1 besitzt einen umlaufenden flachen Rand 3, der sich
zur Befestigung der Wellmembran 1 eignet, eine ebene Zentrums
fläche 4 und im Bereich zwischen Rand 3 und Zentrumsfläche 4 zum
Beispiel durch Tiefziehen eingeformte Wellen 5. Mit S ist eine
Symmetrielinie bezeichnet. Die Wellen 5 bilden konzentrische
Kreise, so daß alle Schnitte entlang jedes beliebigen Durch
messers der Wellmembran 1 identisch sind.
Der Rand 3, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel flach ist, kann
aber auch durch Tiefziehen abgewinkelt sein.
Zur Darstellungsvereinfachung ist in den Fig. 2 und 3 nicht
die Wellmembran 1 selbst, sondern nur deren Meridianlinie 2
gezeichnet. Eingezeichnet sind Konstruktionshilfslinien, die die
Form der Wellmembran 1 definieren. Jede Welle 5 ist
charakterisiert durch ihren Radius R und einen Zentrumswinkel α.
Die Länge des Bogens und die Tiefe der Welle sind durch den
Radius R und den Zentrumswinkel 4 a gleichfalls eindeutig bestimmt.
Jede Welle 5 stößt unmittelbar an die folgende Welle 5. Am
Übergang von einer Welle 5 zur folgenden Welle 5 existiert ein
Wendepunkt W im Kurvenzug der Meridianlinie 2.
Bei einer Wellmembran 1 gemäß der Fig. 2 sind alle Zentrums
winkel α gleich. Die äußerste Welle 5 mit dem Radius R 1 und die
innerste Welle 5 mit dem Radius R 11 unterscheiden sich von den
anderen Wellen 5 dadurch, daß sie einseitig nicht an eine weitere
Welle 5, sondern an eine ebene Fläche anschließen. Deshalb
beträgt ihr Zentrumswinkel nur α/2.
Eine gute Annäherung an die Idealform der radizierenden Kennlinie
ergibt sich für eine Wellmembran 1 mit einer zwischen einem
Rand 3 und einer Zentrumsfläche 4 eingeformten endlichen Zahl von
Wellen 5, wobei die Radien R x und/oder die Tiefen T x der
einzelnen Wellen 5 vom Rand 3 gegen die Zentrumsfläche 4 hin
zunehmen.
Die Größe der Wellmembran 1, deren Dicke und die Zahl der
Wellen 5 richten sich danach, für welchen Druckbereich die
Wellmembran 1 auszulegen ist. Für einen Druckbereich von 2000 bis
10 000 Pa bietet beispielsweise eine Wellmembran 1 mit einem
Außendurchmesser von 18 mm, einer Dicke von 0,15 mm bei
Verwendung von 17/7-Chrom-Nickel-Stahl und einer Zahl von zwanzig
Wellen 5 eine gute Annäherung an die Idealform der radizierenden
Kennlinie.
Die Radien R x der einzelnen Wellen 5 bilden eine geometrische
Reihe. Der Radius R 2 der zweiten Welle 5 entspricht dem Produkt
aus dem Radius R 1 der ersten Welle 5 und einem Faktor F, der
großer als 1 ist. Der Radius R 3 der dritten Welle 5 entspricht
dem Produkt aus dem Radius R 2 der zweiten Welle 5 und dem
gleichen Faktor F. Die Zählrichtung ist dabei von außen nach
innen.
Die Wendepunkte zwischen den einzelnen Wellen 5 liegen dabei alle
in einer Ebene.
Eine gute Annäherung der Kraft/Weg-Kennlinie der Wellmembran 1 an
die Wurzelfunktion ergibt sich beispielsweise, wenn der Zentrums
winkel α etwa 45 Grad beträgt und der Faktor F einen Wert von
etwa 1,25 hat. Die Tiefe T der Wellen ergibt sich als Funktion
von Zentrumswinkel α und Radius R x . Aus Gründen der
Übersichtlichkeit sind in der Fig. 2 nur die Tiefen T 9 und T 10
als Beispiele für die Tiefe T x der Wellen 5 eingezeichnet.
Statt eines von Welle 5 zu Welle 5 in Stufen steigenden Radius
kann die Zunahme des Radius auch kontinuierlich sein. Bei der
ersten Welle 5 nimmt der Radius kontinuierlich von R 1 zu R 2 zu,
bei der zweiten Welle 5 von R 2 zu R 3 und bei der n-ten Welle 5
von R n zu R n+1. Auch in diesem Fall ergibt sich eine Zunahme der
Tiefe T x der einzelnen Wellen.
Für beide Seiten der Wellmembran 1 kann je eine Hüllkurve H
(Fig. 1) angegeben werden, wobei die beiden Hüllkurven H
zueinander symmetrisch sind. Jede Hüllkurve H im Beispiel der
Fig. 1 ist eine Gerade. Die Hüllkurven H der Wellmembran 1
schließen einen Körper ein, der die Gestalt eines flachen
Doppelkegels hat. Der Winkel, den die Hüllkurve H gegen die
Basisfläche des Doppelkegels bildet, ist klein. Er beträgt für
die radizierende Kennlinie 1,12 Grad. Daraus können der Faktor F
und der Zentrumswinkel α berechnet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die Wellmembran 1 zu verwölben.
Damit läßt sich erreichen, daß bei gegebenem wirksamem Durch
messer der Wellmembran 1 und gegebener Dicke der Wellmembran 1
die Federkonstante verringert wird. Damit wird die spezifische
Auslenkung pro Druckdifferenz-Einheit größer. Dadurch steigt die
Empfindlichkeit der Wellmembran 1, was gleichzeitig bedeutet, daß
die Genauigkeit der Messung bei kleinen Druckdifferenz-Werten
größer wird.
Durch die Verwölbung liegen die Verbindungslinien V der Kurven
wendepunkte W nicht mehr in der gleichen flachen Ebene, sondern
bilden nun eine Ebene, die als Mantelfläche eines Rotations
körpers aufzufassen ist. Die Verwölbung kann so gestaltet sein,
daß die Ebene der Verbindungslinien V der Kurvenwendepunkte W die
Mantelfläche eines Kegels bildet (Fig. 3). Eine optimale
Empfindlichkeit der Wellmembran 1 wird erreicht, wenn die durch
die Ebene der Verbindungslinien V gebildete Mantelfläche des
Kegels gegen die Basis des Kegels einen Winkel von 1,54 Grad
bildet. Vorteilhaft kann die Verwölbung aber auch so gestaltet
sein, daß die Ebene der Verbindungslinien V der Kurvenwende
punkte W die Mantelfläche eines Hyperboloid-Abschnitts ist (Fig.
4). Damit wird eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit der
Wellmembran 1 erreicht bei gleichzeitiger Abnahme der Material
beanspruchung. Zur Verdeutlichung der Verwölbung ist bei den
Fig. 3 und 4 eine unmaßstäblich überhöhte Darstellung gewählt
worden.
Durch eine Verwölbung besteht allerdings keine Kennlinien-
Symmetrie mehr. Während eine nicht verwölbte Wellmembran (1) eine
Kennlinie besitzt, deren Ast im dritten Quadranten
(Differenzdruck und Weg negativ) symmetrisch zum Ast im ersten
Quadranten (Differenzdruck und Weg positiv) ist, unterscheiden
sich bei einer verwölbten Wellmembran (1) die Kennlinien im
ersten und dritten Quadranten voneinander.
Eine Wellmembran (1) solcher Art kann mit Vorteil in einem
Durchflußmengen-Meßgerät und/oder Durchflußmengen-Regelgerät
verwendet werden, bei dem aus einer Druckdifferenz des strömenden
Mediums vor und hinter einer als Blende wirkenden Einrichtung
mittels besagter Wellmembran (1) und eines damit wirkverbundenen
linear wirkenden Weggebers ein der Strömungsgeschwindigkeit
proportionales Signal gewonnen wird. Ein zusätzlicher Signal
wandler zur Radizierung des Signals ist dann nicht nötig, so daß
ein solches Durchflußmengen-Meßgerät und/oder -Regelgerät
besonders einfach und damit preiswert herstellbar ist.
Zur Messung einer Druckdifferenz mit Hilfe einer gewölbten
Wellmembran 1 ist es vorteilhaft, wenn die Wellmembran 1 im
Druckmeßgerät so eingebaut ist, daß die Verwölbungsrichtung dem
positiven Differenzdruck entgegen gerichtet ist. Damit wird
erreicht, daß das Durchflußmengen-Meßgerät und/oder -Regelgerät
einerseits infolge der guten Anpassung an die radizierende
Kennlinie sehr genau arbeitet und andererseits eine gute
Ansprechempfindlichkeit hat.
Claims (8)
1. Wellmembran (1) mit einer zwischen einem Rand (3) und einer
zentrumsfläche (4) eingeformten endlichen zahl von Wellen (5),
dadurch gekennzeichnet, daß die Radien R x und/oder die Tiefen T x
der einzelnen Wellen (5) vom Rand (3) gegen die Zentrums
fläche (4) hin zunehmen.
2. Wellmembran (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Radien R x und die Tiefen T x der einzelnen Wellen (4) vom
Rand (3) gegen die Zentrumsfläche (4) hin gemäß einer
geometrischen Reihe zunehmen.
3. Wellmembran (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ebene der Verbindungslinien (V) der
Kurvenwendepunkte (W) der Wellen (5) verwölbt ist.
4. Wellmembran (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ebene der Verbindungslinien (V) der Kurvenwendepunkte (W) der
Wellen (5) gebildet wird von einer Mantelfläche eines Rotations
körpers.
5. Wellmembran (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ebene der Verbindungslinien (V) der Kurvenwendepunkte (W) der
Wellen (5) die Mantelfläche eines Kegels ist.
6. Wellmembran (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ebene der Verbindungslinien (V) der Kurvenwendepunkte (W) der
Wellen (5) die Mantelfläche eines Hyperboloid-Abschnitts ist.
7. Verwendung einer Wellmembran (1) nach einem der Ansprüche 1
bis 6 in einem Durchflußmengen-Meßgerät und/oder -Regelgerät, bei
dem aus einer Druckdifferenz des strömenden Mediums vor und
hinter einer als Strömungshindernis wirkenden Einrichtung mittels
besagter Wellmembran (1) und eines damit wirkverbundenen, linear
wirkenden Weggebers ein der Strömungsgeschwindigkeit
proportionales Signal gewonnen wird.
8. Verwendung einer Wellmembran (1) nach einem der Ansprüche 3
bis 6 in einem Durchflußmengen-Meßgerät und/oder -Regelgerät, bei
dem aus einer Druckdifferenz des strömenden Mediums vor und
hinter einer als Strömungshindernis wirkenden Einrichtung mittels
besagter Wellmembran (1) und eines damit wirkverbundenen, linear
wirkenden Weggebers ein der Strömungsgeschwindigkeit
proportionales Signal gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verwölbung der Wellmembran (1) gegen die Richtung des
wirksamen positiven Differenzdruckes gerichtet ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH245388 | 1988-06-28 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3919299A1 true DE3919299A1 (de) | 1990-01-04 |
Family
ID=4234172
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893919299 Withdrawn DE3919299A1 (de) | 1988-06-28 | 1989-06-13 | Wellmembran |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3919299A1 (de) |
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