DE1126646B

DE1126646B - Differential pressure transducer based on the force compensation method with devices to compensate for the elastic resilience of the return elements

Info

Publication number: DE1126646B
Application number: DEE14411A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Peter Nenning
Original assignee: JC Eckardt AG
Current assignee: JC Eckardt AG
Priority date: 1957-07-16
Filing date: 1957-07-16
Publication date: 1962-03-29

Description

Differenzdruckwandler nach dem Verfahren der Kraftkompensation mit Einrichtungen zur Kompensation der elastischen Nachgiebigkeit der Rückführelemente Bei Wirkdruckwandlern werden im allgemeinen bei hohen statischen Drücken geringe Differenzdrücke in Steuerluftdrücke umgesetzt, die den Differenzdrücken proportional sind. Als Meßorgane dienen hierbei meistens bewegliche Membranen.Differential pressure transducer using the force compensation method Devices to compensate for the elastic resilience of the return elements In the case of differential pressure transducers, the static pressures are generally low at high Differential pressures converted into control air pressures that are proportional to the differential pressures are. Movable membranes are mostly used as measuring elements.

Es sind Ausführungsarten bekannt, bei denen der auf die Membran wirkenden Meßkraft außerhalb des Druckraumes das Gleichgewicht gehalten wird in der Weise, daß die Membran nur eine geringe Auslenkung senkrecht zu ihrer Ebene erfährt. Bei diesen nach dem Verfahren der sogenannten Kraftkompensation arbeitenden Geräten werden die Kräfte bzw. die Momente. welche die Membran in ihrer jeweiligen Lage festhalten sollen; über Zugstangen, Torsionsstangen oder Torsionsrohre vom Außenraum in den Druckraum übertragen. Durch das übertragungselement wird im allgemeinen außerhalb des Druckraumes das Fühlerelement zum Aussteuern des Kompensationsgliedes betätigt und gleichzeitig die Kraft des Kompensationsgliedes übertragen.There are known embodiments in which the acting on the membrane Measuring force outside the pressure chamber the equilibrium is kept in such a way, that the membrane experiences only a slight deflection perpendicular to its plane. at these devices working according to the so-called force compensation method are the forces or the moments. which the membrane in its respective position should hold fast; via tie rods, torsion bars or torsion tubes from the outside area transferred to the print room. The transmission element is generally outside of the pressure chamber actuates the sensor element to control the compensation element and at the same time transmit the force of the compensation element.

Es ist hierbei nicht immer möglich, diese Übertragungselemente so auszuführen, daß sie die notwendigen Kräfte ohne elastische Deformationen übernehmen. Häufig ist man gezwungen, diese übertragungselemente ziemlich schwach auszuführen, so daß in ihnen die elastischen Spannungen sehr hoch werden. Man denke z. B. an die bekannte Herausführung der Kräfte aus dem Druckraum mit Hilfe eines Torsionsrohres, welches zur Abdichtung des beweglichen Elementes gegen das Druckgefäß dient. Das Torsionsrohr muß eine möglichst geringe Richtkraft besitzen. Das ist nur dann der Fall, wenn es einen möglichst kleinen Außendurchmesser hat und möglichst dünnwandig ist. Die elastische Nachgiebigkeit der Übertragungselemente bildet bei den bekannten Wirkdruckwandlem den Nachteil, daß sich die Membran als Meßorgan stärker verformen muß als es für die Aussteuerung des Fühlersystems not-wendig wäre. Hierbei ist zu bedenken, daß grundsätzlich bei jeder Auslenkung der Membran eine gewisse federnde Rückwirkung zu überwinden ist und daß durch eine derartige federnde Rückwirkung Fehler beim Ergebnis der Messung auftreten. Diese Fehler können dadurch entstehen, daß z. B. die als Ergebnis der Messung in Erscheinung tretende Kompensationskraft um den Betrag der federnden Auslenkung der Membran zu gering ist. Es sind auch Ausführungen von Wirkdruckwandlern bekannt, bei denen man die Bewegungen der Membran einmal über ein besonderes Glied nach außen überträgt, auf das keine oder nur geringe elastische Kräfte wirken, weil es lediglich zur Steuerung des Mechanismus dient, der die Kraftkompensation besorgt und die Membran in ihre Null-Stellung zurückdrückt. Dieses Steuerglied kann z. B. über einen Torsions- oder Zugstab innerhalb einer Längsbohrung des der Kraftkompensation dienenden Rückführelementes betätigt werden.It is not always possible to design these transmission elements in such a way that they take over the necessary forces without elastic deformations. Often one is forced to make these transmission elements rather weak, so that the elastic stresses in them are very high. Think z. B. to the known removal of the forces from the pressure chamber with the help of a torsion tube, which is used to seal the movable element against the pressure vessel. The torsion tube must have the lowest possible straightening force. This is only the case if it has the smallest possible outer diameter and is as thin-walled as possible. The elastic resilience of the transmission elements constituting the disadvantage of the known Wirkdruckwandlem that the membrane must deform more than the measuring element than would be neces- manoeuvrable for the modulation of the sensor system. It should be borne in mind here that a certain resilient reaction has to be overcome with every deflection of the membrane and that errors in the result of the measurement occur due to such a resilient reaction. These errors can arise because, for. B. the compensation force appearing as a result of the measurement is too low by the amount of the resilient deflection of the membrane. There are also known designs of differential pressure transducers in which the movements of the membrane are transmitted to the outside via a special member on which no or only slight elastic forces act, because it only serves to control the mechanism that provides the force compensation and the membrane pushes back to its zero position. This control member can, for. B. be actuated via a torsion or tension rod within a longitudinal bore of the force compensation serving feedback element.

Außer dieser zur Betätigung des Steuergliedes dienenden Übertragungseinrichtung ist dann noch eine zweite Übertragungseinrichtung erforderlich, welche zur Übertragung der die Meßkraft kompensierenden Gegenkraft dient. Diese bekannte, mit zwei Obertragungseinrichtungen versehene Anordnung bedingt einen verhältnismäßig hohen Aufwand an Übertragungselementen.Except for this transmission device which is used to actuate the control element a second transmission device is then required, which is used for transmission the counterforce that compensates for the measuring force is used. This known, with two transmission devices provided arrangement requires a relatively high expenditure on transmission elements.

Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden. Erfindungsgemäß kann man die elastische Nachgiebigkeit des übertragungsorgans für die Kompensationskraft auch auf andere Weise ausschalten bzw. kompensieren.The invention eliminates the disadvantages of the known arrangements avoided. According to the invention, the elastic resilience of the transmission element can be achieved Switch off or compensate for the compensation force in another way.

Die Erfindung bezieht sich auf Differenzdruckwandler nach dem Verfahren der Kraftkompensation mit beweglicher Membran als Meßorgan. Diese Differenzdruckwandler besitzen einen Ausschlagfühler zur Bestimmung der Auslenkung der Membran und einen vom Ausschlagfühler gesteuerten Verstärker zur Erzeugung einer der Kraft des Differenzdruckes entgegenwirkenden Kompensationskraft. Das die Kompensationskraft durch die Druckgehäusewand hindurch übertragende Glied überträgt zugleich auch die Membranauslenkung zum Ausschlagfühler. Das besondere Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß zur Verringerung der Wirkung der unvermeidlichen elastischen Nachgiebigkeit des die Kompensationskraft übertragenden Gliedes auf die Übertragung der Membranauslenkung zum Ausschlagfühler eine ebenfalls von der Kompensationskraft deformierte Feder vorgesehen ist, welche zusammen mit dem elastischen Übertragungsglied hinsichtlich der Wirkung der elastischen Deformation auf den Abstand der beiden Elemente des Ausschlagfühlers in einer mechanischen Differenzschaltung angeordnet ist.The invention relates to differential pressure transducers according to the method the force compensation with a movable membrane as the measuring element. This differential pressure transducer have a deflection sensor to determine the deflection of the membrane and a Amplifier controlled by the deflection sensor to generate one of the force of the differential pressure counteracting compensation force. That the compensation force through the pressure housing wall The member transmitting through it also transmits the membrane deflection to the deflection sensor. The special feature of the invention is that that to reduce the effect of the inevitable elastic resilience of the compensating force transmitting member to the transmission of the membrane deflection to the deflection sensor a spring also deformed by the compensation force is provided, which together with the elastic transmission member with regard to the effect of the elastic Deformation on the distance between the two elements of the deflection sensor in a mechanical one Differential circuit is arranged.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Differenzschaltung so bemessen wird, daß bei einer Bewegung des Ausschlagfühlers über den Steuerbereich die Membran demgegenüber keine oder nahezu keine Auslenkung erfährt.The invention also provides that the differential circuit is so dimensioned is that when the deflection sensor is moved over the control area, the membrane in contrast, experiences no or almost no deflection.

Es kann sogar erreicht werden, daß die Membran eine der Richtung der Kraftwirkung des Differenzdruckes entgegengesetzt gerichtete Auslenkung erfährt.It can even be achieved that the membrane has one of the directions of the The effect of the force of the differential pressure undergoes a deflection directed in the opposite direction.

Eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß zwei vom Ausschlagfühler gesteuerte Kraftglieder, z. B. Federbalgen, vorgesehen sind, von denen das eine so zwischen die beiden Elemente des Ausschlagfühlers eingeschaltet ist, daß es einerseits die Kompensationskraft ausübt und andererseits dabei den Abstand der beiden Elemente des Ausschlagfühlers beeinflußt, während das andere parallel zu der Feder geschaltet ist und eines der beiden Elemente des Ausschlagfühlers in zu der Beeinflussung durch das erste Kraftglied entgegengesetztem Sinne beeinflußt.A further development of the concept of the invention is that two Force members controlled by the deflection sensor, e.g. B. bellows are provided, one of which is inserted between the two elements of the deflection sensor is that on the one hand it exercises the compensatory force and on the other hand it exercises the The distance between the two elements of the deflection sensor is influenced, while the other is connected in parallel to the spring and one of the two elements of the deflection sensor influenced in the opposite sense to the influencing by the first force member.

Der Erfindungsgedanke sei an Hand einiger Ausführungsbeispiele erläutert.The idea of the invention will be explained with the aid of a few exemplary embodiments.

Bild 1 stellt das Schema eines Wirkdruckwandlers nach der Erfindung dar, bei dem alle in den vorhandenen Ausführungen erwähnten elastischen Elemente als Zug- oder Druckfedern dargestellt sind.Figure 1 shows the scheme of a differential pressure transducer according to the invention represents, in which all the elastic elements mentioned in the existing statements are shown as tension or compression springs.

Auf die Membran 1 im Druckraum 2 wirkt der über die Leitungen 3 und 4 zugeführte Differenzdruck, wobei über die Leitung 3 der höhere und über die Leitung 4 der niedrigere Druck zugeführt und dadurch die Membran 1 zunächst nach unten gedrückt wird. Die Bewegung der Membran wird aus dem Druckraum 2 heraus übertragen mit Hilfe des starren Elementes 5 und des elastischen Elementes 6 auf die Prallplatte 7. Die Abdichtung des beweglichen Organs bei der Herausführung aus dem Druckraum erfolgt durch das hier als elastischer Faltenbalg gezeichnete Element B.The acts on the membrane 1 in the pressure chamber 2 via the lines 3 and 4 supplied differential pressure, the higher via line 3 and the higher via line 4 the lower pressure is supplied and thereby the membrane 1 is initially pressed downwards will. The movement of the membrane is transmitted from the pressure chamber 2 with the help of the rigid element 5 and the elastic element 6 on the baffle plate 7. The The movable organ is sealed when it is led out of the pressure chamber by element B.

Durch die Annäherung der Prallplatte 7 an die Düse 9 steigt in deren Innenraum der Druck, welcher über die Leitung 10 dem Verstärker 11 und von dort über die Leitung 12 dem Faltenbalg 13 und gleichzeitig dem Ausgang 14 des Wirkdruckwandlers zugeführt wird. Die im Faltenbalg 13 entstehende Längskraft drückt über die starre Verbindung 15 die Prallplatte 7 und über das elastische Glied 6 und die starre Verbindung 5 die Membran 1 entgegen dem Differenzdruck nach oben. Mit derselben Kraft wird jedoch auch die Feder 16 zusammengedrückt. Über den Hebel 17 wird dadurch wegen seiner drehbaren Lagerung im Punkt 18 die Düse 9 nach oben bewegt. Wenn die beiden Federn 16 und 6 und die beiden Arme am Hebel 17 richtig aufeinander abgestimmt sind, so wird die Düse gerade um den Betrag nach oben bewegt, um den sich das elastische Rückführelement 6 zusammendrückt, so daß also dessen unerwünschte elastische Wirkung kompensiert wird. Man erreicht damit, daß die Membran wieder nahezu in ihre ursprüngliche Lage zurückgeführt wird. Man kann sogar erreichen, daß sie entgegen der elastischen Wirkung der der Abdichtung dienenden Membran 8 über ihren Nullpunkt hinaus nach oben gedrückt wird. Auch die notwendigen Steuerwege der Prallplatte 7 gegenüber der Düse 9 zur Erzeugung des für die Kraftkompensation notwendigen Druckes können auf diese Weise kompensiert werden. Die Feder 19 innerhalb des Balges wird so vorgespannt, daß beim Differenzdruck Null an der Membran im Balg 13 und damit am Ausgang 14 des Transmitters ein Anfangsdruck von z. B. 0,2 atü entsteht.As the baffle plate 7 approaches the nozzle 9, the pressure increases in its interior, which is fed via line 10 to amplifier 11 and from there via line 12 to bellows 13 and at the same time to output 14 of the differential pressure transducer. The longitudinal force arising in the bellows 13 presses the baffle plate 7 via the rigid connection 15 and the membrane 1 upwards via the elastic member 6 and the rigid connection 5 against the differential pressure. However, the spring 16 is also compressed with the same force. Because of its rotatable mounting at point 18, the nozzle 9 is moved upwards via the lever 17. If the two springs 16 and 6 and the two arms on the lever 17 are correctly matched to one another, the nozzle is just moved upward by the amount by which the elastic return element 6 compresses, so that its undesirable elastic effect is compensated for. This means that the membrane is almost returned to its original position. One can even achieve that it is pressed against the elastic effect of the membrane 8 serving for sealing upwards beyond its zero point. The necessary control paths of the baffle plate 7 with respect to the nozzle 9 for generating the pressure necessary for force compensation can also be compensated in this way. The spring 19 within the bellows is biased so that at zero differential pressure at the membrane in the bellows 13 and thus at the output 14 of the transmitter, an initial pressure of z. B. 0.2 atm.

Druckwandler mit Membranen der im Bild 1 gezeichneten Art werden häufig so ausgeführt, daß sich die Membran 1 mit ihrem steifen Mittelteil und ihrem leicht beweglichen weichen Rand gegen entsprechend geformte Ausdrehungen des Druckkörpers legt, wenn versehentlich der volle statische Druck einseitig auf die Membran gegeben wird. Diese Ausdrehungen des Druckkörpers lassen der Membran nur wenig Spielraum, und es kann vorkommen, daß schon bei hohen Differenzdrücken sich der äußere weiche Teil der Membran an die genannte Ausdrehung anzulegen beginnt und dadurch die wirksame Fläche der Membran sich verkleinert. Das hat zur Folge, daß im oberen Meßbereich die Linearität der Messung gestört wird. Durch entsprechende Abstimmung des erfindungsgemäß geschilderten Nachlaufmechanismus für das Fühlorgan kann erreicht werden, daß die Membran bei höheren Differenzdrücken schließlich eine Gleichgewichtslage einnimmt, bei der sie durch die Kompensation aus der Null-Lage so hinausgedrückt wird, daß sie der Kraftwirkung des Differenzdruckes ein Stück entgegengelaufen ist.Pressure transducers with diaphragms of the type shown in Figure 1 are common designed so that the membrane 1 with its stiff middle part and its easy movable soft edge against correspondingly shaped recesses in the pressure hull if inadvertently the full static pressure is applied to one side of the membrane will. These rotations in the pressure hull leave little room for the diaphragm, and it can happen that even at high differential pressures the outer soft one Part of the membrane begins to apply to the said recess and thereby the effective Area of the membrane is reduced. This has the consequence that in the upper measuring range the linearity of the measurement is disturbed. By appropriate coordination of the invention Described follow-up mechanism for the sensing element can be achieved that the The membrane finally assumes an equilibrium position at higher differential pressures, in which it is pushed out of the zero position by the compensation in such a way that it has run counter to the force of the differential pressure.

Eine analoge Anordnung läßt sich auch mit Kraftkompensation durch elektrodynamisch wirkende Elemente erreichen. Man kann z. B. die Düse 9 durch einen induktiven, kapazitiven, lichtelektrischen oder anderen Geber ersetzen und das Kraftglied elektromagnetisch ausführen.An analog arrangement can also be made with force compensation Reach electrodynamically acting elements. You can z. B. the nozzle 9 by a replace inductive, capacitive, photoelectric or other sensors and the force link run electromagnetically.

Im folgenden seien noch weitere Möglichkeiten der Anordnung geschildert, nach denen die elastische Wirkung von Rückführungselementen bei der Kraftkompensation in Transmittern eliminiert wird. Eine solche Anordnung zeigt Bild 2.In the following further possibilities of the arrangement are described, according to which the elastic effect of feedback elements in force compensation is eliminated in transmitters. Such an arrangement is shown in Figure 2.

Auf die Membran 1 wirkt nach unten der Differenzdruck. Der Druckraum ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet. Die Wirkung einer elastischen Membran, welche die Abdichtung des elastischen Rückführorgans 6 gegen den Druckraum besorgt, ist durch die Feder 8 angedeutet. Die Kraft von der Membran wird über das elastische Rückführorgan 6 auf den Hebel 20 übertragen. An den Hebel 20 ist die Prallplatte 7 aasgelenkt, die mit der Düse 9 zusammenwirkt.The differential pressure acts on the membrane 1 downwards. The printing room is not drawn to simplify the illustration. The effect of an elastic Membrane which seals the elastic return element 6 against the pressure chamber concerned, is indicated by the spring 8. The force from the diaphragm is via the transferred elastic return member 6 to the lever 20. At the lever 20 is the Baffle plate 7, which interacts with the nozzle 9.

Am linken Teil der Prallplatte 7 greift über eine Koppel 21 der Hebel 22 an, auf den der Federbalg 13 drückt. Der nach unten auf die Membran 1 wirkende Differenzdruck ruft über die Bewegung der Prallplatte 7 und den Verstärker 11 eine entsprechende Gegenkraft im Federbalg 13 hervor. Diese Gegenkraft drückt unter anderem die Feder 23 zwischen der Prallplatte 7 und dem Hebel 20 zusammen. Wenn diese Feder und die beiden Arme der Prallplatte 7 richtig abgestimmt sind, so bewegt sich das rechte Ende der Prallplatte 7 gerade so viel nach unten, daß die Nachgiebigkeit des Rückführelementes 6 ausgeglichen wird, wenn die Membran 1 in die Null-Lage oder eventuell sogar darüber hinaus zurückgeführt wird. Die Leitung 14 ist der Ausgang des Wirkdruckwandlers.The lever 22, on which the bellows 13 presses, engages on the left part of the baffle plate 7 via a coupling 21. The differential pressure acting downward on the diaphragm 1 causes a corresponding counterforce in the bellows 13 via the movement of the baffle plate 7 and the booster 11. This counterforce compresses, among other things, the spring 23 between the impact plate 7 and the lever 20 . If this spring and the two arms of the baffle plate 7 are correctly matched, the right end of the baffle plate 7 moves just enough downward that the flexibility of the return element 6 is compensated when the membrane 1 is in the zero position or possibly even is also returned. Line 14 is the output of the differential pressure converter.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens stellt Bild 3 dar. Es sind für gleiche Elemente die gleichen Bezeichnungen gewählt worden wie bei Bild 2, jedoch ist nun die Feder 23, welche dieselbe Funktion hat wie die Feder 23 in Bild 2, gegen das Gehäuse abgestützt.Another embodiment of the inventive idea is picture 3. The same designations have been chosen for the same elements as at picture 2, however, there is now the spring 23, which has the same function as the spring 23 in Figure 2, supported against the housing.

In Bild 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, bei dem zur Kompensation der Meßkraft der Membran 1 zwei Kraftglieder entgegenwirken. Die von der Membran 1 über das elastische Element 6 bewegte Prallplatte 7 steuert die im Eingang des pneumatischen Verstärkers 11 angeordnete Düse 8 aus. Der Verstärker 11 beaufschlagt die beiden Federbalgen 24 und 25, deren Kräfte der Auslenkung der Membran 1 entgegenwirken. Die Feder 16 dient zum Ausgleich der elastischen Wirkung des übertragungsgliedes 6 und gleichzeitig zum Einstellen der Nullstellung der Membran 1 beim Anfangswert des Druckes am Ausgang 14 des Verstärkersystems 11. Die Feder 19 ist viel weicher als die Feder 16 und dient zum Einstellen des Anfangswertes des Druckes am Ausgang 14 des Verstärkers 11. Die Anwendung von zwei getrennten Kraftgliedern mit zugehörigen Gegenfedern bietet den Vorteil, daß der Balg 24 ziemlich kurz und steif sein darf und die Anordnung konstruktiv unter Umständen weniger Raum einnimmt.In Figure 4, an embodiment of the invention is shown schematically, in which to compensate for the measuring force of the membrane 1, two force members counteract. The baffle plate 7 moved by the membrane 1 over the elastic element 6 controls the nozzle 8 arranged in the inlet of the pneumatic amplifier 11. The booster 11 acts on the two bellows 24 and 25, the forces of which counteract the deflection of the diaphragm 1. The spring 16 serves to compensate for the elastic effect of the transmission member 6 and at the same time to set the zero position of the diaphragm 1 at the initial value of the pressure at the output 14 of the amplifier system 11. The spring 19 is much softer than the spring 16 and is used to set the initial value of the pressure at the output 14 of the amplifier 11. The use of two separate force members with associated counter springs offers the advantage that the bellows 24 can be fairly short and stiff and the arrangement may take up less space in terms of construction.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Differential pressure transducer based on the force compensation method with a movable membrane as the measuring element, with a deflection sensor to determine the deflection of the membrane and an amplifier element controlled by the deflection sensor to generate a compensation force counteracting the force of the differential pressure, the compensation force being applied through the pressure housing wall the membrane transmitting member at the same time also transmits the membrane deflection to the deflection sensor, characterized in that, in order to reduce the effect of the inevitable elastic resilience of the compensating force transmitting member (6) on the transmission of the membrane deflection to the deflection sensor (7, 9), a likewise deformed by the compensation force Spring (16 or 23) is provided, which together with the elastic transmission member (6) with regard to the effect of the elastic deformation on the distance between the two elements of the deflection sensor (7, 9) in a mechanical differential circuit is arranged.

2. Differential pressure transducer according to claim 1, characterized by a such a dimensioning of the differential circuit that with a movement of the deflection sensor (7, 9), in contrast, the diaphragm has no or almost no deflection over the control area learns.

3. Differential pressure transducer according to claim 1, characterized by such Dimensioning of the differential circuit that the membrane is one of the direction of the force effect of the differential pressure experiences opposite deflection.

4. Differential pressure transducer according to claim 1 to 3, characterized by two force members controlled by the deflection sensor (24, 25), for. B. bellows, one of which (24) is switched between the two elements of the deflection sensor (7, 9) that on the one hand it exerts the compensation force and on the other hand it influences the distance between the two elements of the deflection sensor (7, 9) while the other (25) is connected in parallel to the spring (16) and influences one of the two elements of the deflection sensor (7, 9) in the opposite sense to that of the first force member (24). References considered: U.S. Patent Nos. 2,061,118, 2,240,243, 2658392.