DE1045686B

DE1045686B - Druckmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1045686B
Application number: DEG10639A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Gehre
Original assignee: HANS GEHRE DIPL ING
Current assignee: HANS GEHRE DIPL ING
Priority date: 1953-01-02
Filing date: 1953-01-02
Publication date: 1958-12-04

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmesser oder den druckmessenden Teil von druckgesteuerten Geräten (Volumenumwertern, Reglern, Steuervorrichtungen u. dgl.) der Mengenmessung von Gasen und Flüssigkeiten.

Der Bau dieser Geräte wird vor ernste Schwierigkeiten gestellt, sobald es sich um die Erfassung hoher Drücke handelt und dabei eine fehlerfreie Anzeige oder Übertragung des Meß- oder Steuerdruckes bei hoher Feinfühligkeit der Geräte verlangt wird. Die üblichen Membranen sind als Druckfühler für diese Fälle ungeeignet. Die einen haben keine ausreichende Festigkeit, um den auftretenden Beanspruchungen gewachsen zu sein, die anderen besitzen eine zu große Steifigkeit und geben daher zu geringe Ausschläge. Ein Ersatz der Membranen durch Kolben od. dgl. kommt nicht in Betracht, weil dabei die Reibungsund Leckverluste zu groß werden, selbst wenn man zu ihrer Herabsetzung die Kolben rotieren läßt.

Durch die vorliegende Erfindung wird es ermöglicht, diese Schwierigkeiten zu beseitigen und die Messungen auch bei höchsten Drücken betriebssicher und fehlerfrei auszuführen.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß bei Verwendung der bei Druckmessern an sich bekannten Anordnung, bei welcher der Druckfühler aus mehreren axial in Abstand hintereinandergesehalteten und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekuppelten Membranen besteht, nur die A^orderseite der ersten Mebran an die den zu messenden Druck führende Leitung und nur die Hinterseite der letzten Membran an den Raum angeschlossen ist, in welchem der das Gesamtdruckgefälle bestimmende Enddruck herrscht, und daß Mittel vorgesehen sind, durch welche in den Räumen zwischen den Membranen abgestufte Drücke erzeugt werden.

Als Gegendruck kommt vorzugsweise der Atmosphärendruck in Betracht. Man kann aber je nach den gegebenen Verhältnissen auch einen anderen Druck, z. B. einen Unterdruck, als Gegendruck benutzen. Hierbei ergibt sich für jeden praktischen Fall die erforderliche Anzahl von Druckstufen ohne weiteres aus dem gegebenen Gesamtdruckgefälle einerseits und der Beanspruchbarkeit der einzelnen Membranen andererseits. Die Druckabstufung, im folgenden kurz »Druckkaskade« genannt, kann in verschiedenster Weise erzeugt werden, sei es im Membransystem selbst, sei es durch eine besondere Vorrichtung, die an das Membransystem angeschlossen ist.

Die Erfindung und ihre Wirkungsweise seien im folgenden an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Druckmeßvorrichtung

Anmelder:

Dipl.-Ing. Hans Gehre,
Oberkassel (Siegkr.), Bernhardstr. 63

Dipl.-Ing. Hans Gehre, Oberkassel (Siegkr.),
ist als Erfinder genannt worden

Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind beispielsweise drei Wellrohrmembranen 1, 2 und 3 in einem zweiteiligen zylindrischen Gefäß 4, 5, in gleichachsiger Anordnung hintereinandergeschaltet und mit ihren Rändern bei 7, 8 und 9 abdichtend eingespannt, während ihre Böden 10, 11, 12 durch einen Schaft 13 starr miteinander verbunden sind. Das obere Gefäß 4 und damit zugleich auch der von der Membran 1 umfaßte Raum 0 sind durch einen Deckel 14 abgeschlossen. In ihm mündet eine Leitung 15, durch welche der Raum 0 an den Betriebsdruck angeschlossen ist.

Die Erzeugung der Druckkaskade erfolgt hier in einem besonderen Gerät, welches aus einem vom Beitriebsdruck gesteuerten System in Abstand hintereinandergeschalteter Differentialkolben besteht und bei welchem die Räume zwischen den Differentialkolben an die Zwischenräume des Membransystems

4-0 der Druckmeßvorrichtung angeschlossen sind.

Von der Leitung 15 zweigt eine Leitung 16 ab, welchei den Betriebsdruck dem in einem Zylinder 17 beweglichen Kolben 18 mitteilt. Die Belastung des Kolbens 18 wird über einen Schaft 19 auf einen größeren Kolben 20 übertragen, der in einem anschließenden Zylinder 21 beweglich ist. Der unterhalb des Kolbens 20 liegende Raum des Zylinders 21 steht über die Leitung 22 mit dem Raum I zwischen den beiden Membranen 1 und 2 in Verbindung.

Der Zylinder 21 geht unten in einen kleinen Zylinder 23 über. In diesem befindet sich ein Kolben 24, welcher seine Belastung über einen Schaft 25 an den größeren Kolben 26 weitergibt, der in einem entsprechenden Zylinder 27 beweglich ist. Der untere

ffl)9 69W3flO

Teil dieses Zylinders ist durch die Leitung 28 mit dem Raum II zwischen den Membranen 2 und 3 verbunden. Im unteren Teil des Zylinders 17 befindet sich eine Entlüftungsöffnung 29, im Unterteil des Zylinders 23 eine Entlüftungsöffnung 30.

Der Schaft 13 bildet den Arbeitsschaft des betreffenden Geräts. Bei einem reinen Druckmesser z. B. betätigt er eine Anzeigevorrichtung, etwa einen bei 31 schwenkbar gelagerten Zeiger 32, der unter der Rückstellkraft einer Feder 33 steht und mit einer Anzeigeskala 34 zusammenwirkt, oder eine Druckwaage od. dgl. Bei einem Druckregler betätigt er, wie in Fig. 7 gezeigt, das Drosselglied 35 des Regelventils. Bei einem Volumenreduktor überträgt er die zur Darstellung des Umwertungsfaktors erforderlichen Druckgrößen unmittelbar oder mittelbar auf den im Zähl- ^verksantrieb des zugehörigen Mengenzählers befindlichen Korrigiermechanismus.

Der Zylinder 21, die Leitung 22 und der Raum I einerseits sowie der Zylinder 27, die Leitung 28 und der Raum II andererseits sind vollkommen mit Flüssigkeit gefüllt, so daß sich jede auf die Kolben 20 und 24 ausgeübte Belastung als entsprechender Flüssigkeitsdruck in die Räume I und II überträgt und damit auf die Membranen 1, 2 und 3 wirksam wird. Diese Belastung ist gegeben einerseits durch das Größenverhältnis der Kolben 18, 20 und den durch die Leitung 16 auf den Kolben 18 wirkenden Betriebsdruck ρ und andererseits durch das Groß en verhältnis der Kolben 24, 26 und den auf den Kolben 24 wirkenden Flüssigkeitsdruck, den der Kolben 20 vermittelt.

Die Abmessungen der Kolben 18 und 20 sind so aufeinander abgestimmt, daß im Raum I ein Druck P₁ herrscht, der um einen bestimmten gewünschten Betrag kleiner ist als der im Raum 0 der Wellrohrmembran 1 herrschende Betriebsdruck p, und daß die dabei entstehende Druckstufe von p bis P₁ der Festigkeit der Wellrohrmembran 1 angepaßt ist. Entsprechend wird das Größenverhältnis der Kolben 24 und 26 so gewählt, daß die Druckstufe von P₁ bis p₂ sowie die Stufe von p_% bis zum Atmosphärendruck oder einem anderen eingestellten Gegendruck im Hinblick auf die Belastungsfähigkeit der Wellrohrmembranen 2 und 3 in den zulässigen Grenzen bleiben.

Auf die Membran 1 wirkt somit statt des gesamten Druckgefälles vom Betriebsdruck p bis zum gewählten Gegendruck nur die kleine Druckstufe von p bis P₁, auf die Membran 2 nur die kleine Druckstufe von P₁ bis p₂ und auf die Membran 3 nur die kleine Druckstufe von p₂ bis zum gewählten Gegendruck, in Fig. 1 beispielsweise bis zum äußeren Luftdruck.

Infolge der starren Kupplung der Wellrohrmembranen I₃ 2 und 3 erleiden die Räume I und II bei Bewegungen des Schafts 13 keinerlei Größenverändecungen. Die Kolben 18, 20 und 24, 26 bleiben also auch bei Bewegungen des Schafts 13 in Ruhe, so daß die Feinfühligkeit der Wellrohrmembranen nicht durch Reibungskräfte der Kolben beeinträchtigt und der Betriebsdruck unverfälscht und vollkommen übertragen wird. Von der Eigenfederung der Membrankörper 1, 2 und 3 kann abgesehen werden, da sie eingeeicht oder mit geeigneten Mitteln kompensiert werden kann. Natürlich kann man auch federungsfreie Membranen verwenden, z. B., wie in Fig. 2 gezeigt, die gebräuchlichen Tellermembranen. Die Anordnung ist dabei im übrigen die gleiche wie in Fig. 1.

Ist der Betriebsdruck des Druckmediums genügend hoch, so läßt sich die Druckkaskade z. B. auch mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung erzeugen. Sie besteht aus einer entsprechenden Anzahl in der Leitung 16 hintereinandergeschalteter Drosselöffnungen 36, 37, durch welche ein Zweigstrom des Druckmediums fließt. Dieser tritt bei richtiger Größenwahl der Öffnungen mit Schallgeschwindigkeit aus ihnen aus, und es stellt sich an ihren Mündungen ein dem kritischen Druckverhältnis entsprechender Ausgangsdruck ein, der durch die Leitungen 22 und 28 in die Räume I und II übertragen wird. Soll bei sehr hohen Betriebsdrücken das vorhandene Gesamtdruckgefälle auf eine

ίο größere Anzahl von Druckstufen verteilt werden, so ist die Anzahl der Drosselöffnungen entsprechend der Anzahl der verwendeten Membranen zu wählen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung ist zur Erzeugung der Druckkaskade ein ständiger Durchfluß erforderlich, der z. B. ins Freie abgeleitet, besser aber einer Niederdruckleitung zugeführt wird. Dabei kann durch Einschaltung von Druckreglern die Druckabstufung in den Räumen zwischen den Membranen den gegebenen Festigkeitsverhältnissen der Membranen angepaßt werden.

Diese Anordnung ist in Fig. 4 schematisch dargestellt, wobei die Druckregler mit 38 und 39 bezeichnet sind. Um Verluste bei Niederdruck zu vermeiden, kann ein druckgesteuertes Absperrventil 40 bekannter

as Bauart vorgesehen werden, welches sich erst bei Erreichung eines genügend hohen Betriebsdruckes öffnet und die Druckkaskade in Funktion setzt.

Wie schon eingangs erwähnt, kann die Anordnung auch so getroffen werden, daß die Druckkaskade im Membransystem selbst gebildet wird. Als Beispiel sei die in Fig. 5 gezeigte Ausführung angegeben, bei welcher die Drosselöffnungen 36 und 37 in den Böden 10 und 11 der Membranen 1 und 2 angebracht sind. Die Fortsetzung der Leitung 15 ist hier im Hinblick auf den eventuellen Anschluß an eine Niederdruckleitung an der Seitenwand des Gehäuseteiles 5 angebracht, und es ist in ihr gegebenenfalls ein Druckregler oder Absperrventil (vgl. Fig. 4, Bezugsziffern 38 und 40) angeordnet.

Noch einfacher ist das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel, bei welchem die Druckkaskade ebenfalls im Membransystem selbst erzeugt wird. Hier sind die Räume zwischen den Membranen geschlossen und zum Teil mit Flüssiggas oder leicht verdampfbaren Flüssigkeiten verschiedenen Dampfdruckes gefüllt, z. B. der Raum I mit Propan, der Raum II mit Butan od. dgl. Im Raum I entsteht dann der höhere, im Raum II der geringere Druck.

Auch bei der Ausführung nach Fig. 7, bei welcher die erfindungsgemäße Membrananordnung, wie bereits erwähnt, als Steuerglied eines Druckreglers dient, wird die Druckkaskade im Membransystem selbst gewonnen. Hier sind beispielsweise vier Druckstufen vorgesehen und entsprechend vier Membranen 1, 2, 3 und 41. Die Räume I, II und III zwischen ihnen sind geschlossen. Die obere Membran 41 ist mit dem Gewicht 42 belastet, welches den Regeldruck p bestimmt. Die untere Membran 1 steuert den an ihr befestigten Schaft 13 des Reglerventils 35.

An den Membranen 2, 3 und 41 befinden sich Anschläge 43, 44 und 45. Die Höhen dieser Anschläge sind den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt und werden beispielsweise und vorzugsweise so berechnet, daß die Druckunterschiede an allen Membranen etwa gleich groß ausfallen.

Bezeichnet man die Membranabstände bei unbelasteten Membranen mit e und wählt man beispielsweise e_± = e_z = e_s = e, so ergibt sich, wenn im unbelasteten Zustande der Druck in den Räumen I, II und III gleich dem Atmosphärendruck (== Barometer-

stand V) ist, nach vollzogener Belastung, d. h. wenn die Membranen an den Anschlägen 43, 44 und 45 liegen, der absolute Enddruck in den Räumen I, II und III zu

e —

ία

worin χ die dabei eintretende Änderung der ursprünglichen Membranabstände e bedeutet.

Bezeichnet man den an den Membranen herrschenden, für ihre Materialbeanspruchung bestimmenden Druckunterschied mit Δ p, so ergibt sich:

für die Membran 1: ^Ip₁ =p —p_v
für die Membran 2: Ap₂ ⁼ Pi—P₂,
für die Membran 3.: Αρ_Ά = p₂ —P₃,
für die Membran 41: Ap_ix — p_z—b,

worin p in diesem Falle den mittels des Drosselgliedes 35 eingestellten Regeldruck bedeutet.

Damit sind für diesen Fall die Höhen der Anschläge 43, 44 und 45 festgelegt. Umgekehrt kann man natürlich auch die Höhe dieser Anschläge gleich groß machen. Dann wären nach obigem die Abstände e_v e₂ und e₃ bestimmt.

An Stelle der starren Anschläge können auch elastische verwendet werden, d. h. die Membranen können beispielsweise auch durch Federn miteinander verbunden sein, wie dies in Fig. 7 mit gestrichelten Linien angedeutet ist.

Wenn man bei der Anordnung nach Fig. 1 nur zwei Wellrohrkörper, etwa den mit 1 und den mit 2 bezeichneten, verwendet und sie mit ihren Böden 10 und 11 gegeneinandergekehrt verbindet, so erhält man die in Fig. 8 dargestellte vereinfachte Ausführung, bei welcher der Raum I auch gegenüber der Membran 2 an der Außenseite liegt. Die Anordnung zur Erzeugung der Druckkaskade besteht hier beispielsweise aus zwei entsprechend bemessenen Wellrohrkörpern 46 und 47j von denen der erste an die Leitung 16, der zweite an den Raum I des Membransystems angeschlossen ist. Der Wellrohrkörper 47 und der Raum I seien mit Flüssigkeit gefüllt. Der Betriebsdruck wirkt über den Boden 18', welcher dem Kolben 18 der Fig. 1 entspricht, und den bei 48 schwenkbar gelagerten Hebel 49 auf den Boden 20' des Wellrohrkörpers 47. Dieser Boden entspricht dem Kolben 20 und der als Kraftübertragung dienende Schwenkhebel 49 dem Schaft 19 der Fig. 1.

In den Fällen, in welchen der Betriebsdruck/' als annähernd konstant betrachtet werden darf oder gewisse Höchstgrenzen nicht überschreitet, kann der Druck P₁ im Raum I konstant gemacht werden, d. h. es bedarf dann keiner besonderen Steuerung der Druckkaskade durch den Betriebsdruck, sondern es genügt eine entsprechende konstante Belastung des Bodens 20', der nun zusammen mit dem Wellrohrkörper 47 die Vorrichtung zur Erzeugung der Druckkaskade bildet. Bei dieser vereinfachten Ausführung kommt die Zweigleitung 16 mit dem Wellrohrkörper 46 und der Hebelübertragung 48, 49 in Wegfall. Die Belastung des Bodens 20' wird beispielsweise so gewählt, daß der Druck im Raum I gleich dem halben Betriebsdruck p ist (Manometer 50), auf jeden Fall aber so, daß die Membranen 1 und 2 nicht über das zulässige Maß hinaus beansprucht werden.

Bei Flüssigkeitsfüllung gewährleistet die Verschiebbarkeit und die ständige Belastung des Bodens 20', daß der Druck im Raum I erhalten bleibt. Bei unbeweglichem Boden 20' wäre der Druck im Raum I unkontrollierbar und temperaturabhängig, und es würde die Gefahr entstehen, daß die Belastbarkeitsgrenze der Membranen überschritten wird.

Diese Schwierigkeit kann aber dadurch beseitigt werden, daß man an Stelle der Flüssigkeit ein kompressibles Mittel wie Gas oder Dampf zur Füllung anwendet. Durch die elastischen Eigenschaften dieser Mittel entfällt die Notwendigkeit eines beweglichen Bodens, und auch der Wellrohrkörper 47 kann dann noch wegfallen. Eine besondere zeichnerische Darstellung dieser Abwandlungen erscheint entbehrlich.

Claims

Patentansprüche:

1. Druckmeßvorrichtung, deren Druckfühler aus mehreren axial in Abstand hintereinandergeschalteten und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekuppelten Membranen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Vorderseite der ersten Membran an die den zu messenden Druck führende Leitung und nur die Hinterseite der letzten Membran an den Raum angeschlossen ist, in welchem der das Gesamtdruckgefälle bestimmende Enddruck herrscht, und daß Mittel vorgesehen sind, durch welche in den Räumen zwischen den Membranen abgestufte Drücke (Druckkaskade) erzeugt werden.

2. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Druckkaskade aus einem vom Betriebsdruck gesteuerten System in Abstand hintereinandergeschalteter Differentialkolben bestehen und daß die Räume zwischen den äußeren Seiten der Differentialkolben mit Flüssigkeit gefüllt und jeweils an die ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenräume des Membransystems der Druckmeßvorrichtung angeschlossen sind.

3. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Druckkaskade aus einer Reihe in einer vom Druckmedium durchflossenen Leitung hintereinandergeschalteter Drosselöffnungen bestehen, deren Ausgangsseiten jeweils an die Zwischenräume des Membransystems angeschlossen sind.

4. Druckmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Membransystem selbst als Mittel zur Erzeugung der Druckkaskade ausgebildet ist, indem in den Membranbödetn Drosselöffnungen für den Durchfluß des Druckmediums angeordnet sind.

5. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer dieser Drosselöffnungen ein Druckregler vorgeschaltet ist.

6. Druckmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der letzten der Drosselöffnungen ein druckabhängiges Absperrventil vorgesehen ist.

7. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen den Membranen geschlossen und zur Erzeugung der Druckkaskade mit einer teilweisen Füllung aus Flüssiggas oder leicht verdampfbaren Flüssigkeiten verschiedenen Dampfdrucks versehen sind.

8. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen den Membranen geschlossen und zur Erzeugung der Druckkaskade mit einem elastischen Medium

gefüllt sind und daß zur Bestimmung der einzelnen Stufen der Druckkaskade auf den Membranböden Anschläge verschiedener Höhe angebracht sind.

9. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Membransystem aus nur zwei miteinander gekuppelten Membranen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise well- oder faltenrohrförmigen Membranen an ihren gegeneinandergekehrten Böden, gegebenenfalls unter Weglassung des einen Bodens, zu einer Einheit verbunden sind. .

10. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Membranen von einem einzigen Well- oder Faltenrohrkörper gebildet werden, in dessen Innerem ein Trennboden vorgesehen ist.

11. Druckmeß vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Druckkaskade zwei Membrandosen dienen, von denen die eine an den Betriebsdruck angeschlossen ist und ihn mittels einer Übertragungsvorrichtung auf den Boden der zweiten

wirksam macht, welche ihrerseits an den die beiden Membranen des druckmessenden Membransystems umgebenden Raum angeschlossen ist und mit ihm zusammen ein flüssigkeitsgefülltes Druckübertragungssystem bildet.

12. Druckmeß vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10 für annähernd konstanten Betriebsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Druckkaskade eine Membrandose vorgesehen ist, welche an den die beiden Membranen des druckmessenden Membransystems umgebenden Raum angeschlossen ist und eine konstante Belastung aufweist.

13. Druckmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10 für annähernd konstanten Betriebsdruck, dadurch gekennzeichnet, daß der die beiden Membranen umgebende Raum fest geschlossen und mit einem kompressiblen Medium gefüllt ist, dessen Druck die Zwischenstufe der Druckkaskade bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 299 232, 719 562.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen