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Differenzdruck-Umformer mit elektrischem Ausgang in Kompensationsschaltung
Die Erfindung betrifft einen Differenzdruck-Umformer mit durch einen Differentialtransformator
gebildetem elektrischem Ausgang in Kompensationsschaltung, wobei die Primär- und/oder
Sekundärwicklung in Teilwicklungen ausgeführt ist.
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Differenzdruck-Umformer mit Differentialtransformatoren sind in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt. Bei einer bekannten Ausführungsform arbeitet in einer
druckfesten Meßkammer ein federgefesselter Differenzdruckmeßmembrankörper auf einem
Hebel, dessen Bewegung mit Hilfe eines Torsionsrohres oder eines gleichwertigen
Bauelementes nach außen übertragen wird. Der Hub eines Ausgangshebels treibt den
Anker eines Differentialtransformators an, welcher einen elektrischen Verstärker
steuert. Weiter sind Geräte bekannt, bei welchen die Differenzdruckmembrane den
Anker eines Differentialtransformators im Inneren der Meßkammer antreibt, während
das Joch des Differentialtransformators außerhalb des Druckraumes angebracht ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische Übertragung der Membranbewegung
durch das bleßkammergehäuse hindurch gleichsam durch eine magnetische Übertragung
ersetzt. Die beschriebenen Anordnungen befriedigen insofern nicht, als die statischen
Drücke, unter denen Differenzdrücke zu messen sind, häufig so hoch sind, daß mechanische
Durchführungen einen hohen Aufwand verlangen und die magnetische Übertragung wegen
der großen erforderlichen Wandstärken des Meßkammergehäuses an Empfindlichkeit nachläßt.
Es ist daher bereits bekannt, Anker und Joch des Differentialtransformators in der
Meßkammer anzuordnen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß Anker und Joch des Differentialtransformators
nur noch schwer zugänglich sind und daher der Nullabgleich, der bei allen bekannten
Ausführungsformen mechanisch, entweder durch Justieren des Ankers oder des Joches,
vorgenommen werden muß, nur unter Schwierigkeiten durchgefiihrt werden kann. Dieser
Nachteil macht sich um so mehr bemerkbar, als häufig die im Druckraum eingesetzten
Meßwerke mit einer Schutzflüssigkeit umgeben sind, welche durch zusätzliche Schutzmembranen
von dem Meßstoff abgetrennt ist. Ein notwendiger Eingriff zum Zwecke der Justierung
muß dann in diesem Schutzraum erfolgen, in welchem das Volumen der Schutzflüssigkeit
nicht verändert werden darf.
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Üblicherweise ist bei den Differentialtransformatoren die Primär-
oder Sekundärwicklung in Teilwicklungen ausgeführt, die zum Zwecke der Kompensation
im Falle der Primärwicklung gegenphasig
in Serie oder im Falle der Sekundärwicklung
gegenphasig parallel geschaltet sein können, wobei im letzten Fall die über beiden
Teilwicklungen abgegriffene Spannung, die im Gleichgewicht des Differentialtransformators
Null ist, über Gleichrichter und gegebenenfalls einen veränderbaren Vorschaltwiderstand
auf den Eingang einer geeigneten Meßeinrichtung gegeben werden kann.
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Im übrigen ist ein Differenzdruck-Umformer bekannt, bei dem an Stelle
eines Differentialtransformators mit zwei in Bewegungsrichtung des Ankers nebeneinander
angeordneten Wicklungen gearbeitet wird, die über je eine Wicklung einer bifilaren
Drossel elektrisch parallel geschaltet sind und von einem Speisewechselstrom durchflossen
werden. Den beiden Wicklungen der bifilaren Drossel ist je eine Serienschaltung
aus Gleichrichter und Widerstand parallel geschaltet, und die Differenz der an beiden
Widerständen abfallenden Spannungen wird mit einem als Brücke zwischen beide Serienschaltungen
gelegten Meßinstrument gemessen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdruck-Umformer
mit Differentialtransformator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine
mechanische Justierung des Differentialtransformators zum Zwecke des Nullabgleichs
entbehrlich ist, der Differentialtransformator also in die Meßkammer des Differenzdruck-Umformers
eingebaut werden kann, ohne für mechanische Justierarbeiten zugänglich sein zu müssen.
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Die Erfindung besteht darin, daß zum Nullabgleich des Differentialtransform
ators den Teilwicklungen der Primärwicklung änderbare Widerstände vorgeschaltet
sind und/oder je zwei der Teilwicklungen der Sekundärwicklung über Gleichrichter
und Spannungsteiler mit veränderbarem Spannungsabgriff in Serie geschaltet sind.
Auf diese Weise ist ein rein elektrischer Nullabgleich des Differentialtransformators
möglich, der den Abgleich auf mechanischem
Wege vollständig ersetzt,
so daß der Abgleich durch vom Differentialtransformator entfernt und außerhalb der
Meßkammer angeordnete, rein elektrisch wirkende Bauelemente bewerkstelligt werden
kann.
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Im Ergebnis wird erreicht, daß der Differentialtransformator ohne
die Möglichkeit einer mechanischen Justierung in der Meßkammer des Differenzdruck-Umformers
angeordnet werden kann, wobei ausschließlich die Anschlüsse der Primär- und Sekundärwicklungen
aus der - Meßkammer mit Hilfe druckdichter elektrischer Durchführungen herausgeführt
sind.
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Im einzelnen bieten die den Teilwicklungen der Primärwicklung - -des
-- Differentialtransformators vorgeschalteten veränderbaren Widerstände die Möglichkeit,
die Teilwicklungen in einstellbar unsymmetrischer Weise zu- erregen und hierdurch
mechanische Abgleichfehler über einen breiten Bereich kompensieren zu können. Die
veränderbaren Widerstände können dabei sowohl ohmsche Widerstände, beispielsweise
Potentiometer, aber auch Wechselstromwiderstände beliebiger Bauart sein. Mittels
der den Teilwicklungen der Sekundärwicklung angeschalteten Spannungsteiler kann
jeder Teilwicklung eine ihrer Spannung proportionale Teilspannung in beliebiger
Höhe abgegriffen werden, so daß diese Teilspannungen unter sich auf gleichen Wert
eingestellt werden können, auch wenn die Spannungen der Teilwicklungen selbst infolge
mangelhaften mechanischen Abgleiches des Differentialtransformators unterschiedlich
groß sind; Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichsinnig
gepolten Gleichrichtern die Spannungsteiler feste Abgriffe beiderseits eines Potentiometers
aufweisen, dessen Schleifer an den Verbindungspunkt der in Serie geschalteten beiden
Sekundärspulen angeschlossen ist. Selbstverständlich kann auch mit gegensinnig gepolten
Gleichrichtern gearbeitet werden. In diesem Falle ist als einfachste Ausführungsform
vorgesehen, daß die beiden in Serie geschalteten sekundären Teilwicklungen unter
Zwischenschaltung der gegensinnig gepolten Gleichrichter durch ein gemeinsames Potentiometer
überbrückt sind und die Ausgangsspannung zwischen dem Verbindungspunkt beider Teilwicklungen
und dem Potentiometerschleifer entnommen wird, wobei durch Verstellen des Potentiometerschleifers
wieder unschwer der Nullabgleich der Ausgangsspannung hergestellt werden kann.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile bestehen im wesentlichen
in der Möglichkeit, den Nullabgleich des Differenzdruck-Umformers ohne mechanische
Justierarbeiten am Differentialtransformator allein durch Verstellung elektrisch
wirkender Schaltelemente außerhalb des Umformers bzw. des Differentialtransformators
durchzuführen. Das ermöglicht einen sehr vorteilhaften Aufbau des Umformers, da
sämtliche mechanischen Meßelemente einschließlich des Differentialtransformators
in der Meßkammer des Umformers, insbesondere in dem von der Schutzflüssigkeit erfüllten
Teil der Meßkammer, angeordnet sein können, ohne für den Nullabgleich zugänglich
sein zu müssen. Der Abgleich selbst kann in einfachster Weise durchgeführt werden
und, falls erforderlich, auch häufiger wiederholt werden.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert;
es zeigt
F i g. 1 einen Differenzdruck-Umformer mit Differentialtransformator, Abgleichvorrichtung
und zugehöriger elektrischer Schaltung in schematischer Darstellung, teils im Schnitt,
Fig. 2 und 3 andere Schaltungsanordnungen der erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung.
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Im einzelnen zeigt die Fig. 1 einen Differenzdruck-Umformer mit Differentialtransformator,
Abgleichvorrichtung 26- - und zugehöriger elektrischer Schaltungsanordnung. In dem
Gehäuse 1 befindet sich der Meßmembrankörper 2. Zwei weitere Membranen 3 und 4 sind
Schutzmembranen, welche an der eigentlichen Messung nicht beteiligt sind, sondern
den zu messenden Differenzdruck auf den durch sie abgeschlossenen Innenraum 5 übertragen.
Dieser Innenraum 5 enthält eine Schutzflüssigkeit, z. B. Silikonöl. An die durch
die Membranen 3 und 4 angeschlossenen Außenräume P+ und P wird der zu messende Differenzdruck
angeschlossen. Außerdem sind an den Membranen 3 und 4 je ein Ventilküken 6 mit einem
Dichtring, z. B. in Gestalt eines O-Ringes 6 a aus Gummi angebracht, welche bei
einseitigem Überdruck den Druckausgleich innerhalb der Ölfüllung verhindern und
dadurch das Meßwerk vor Beschädigung schützen. Das eigentliche Meßsystem besteht
aus dem Meßmembrankörper 2, dem Elektromagnete 7 mit der Erregerwicklung 8 und dessen
Anker 9 sowie aus dem Differentialtransformator 10 mit seinem Kern 11. Eine Stange
12 verbindet den Anker 9 und den Kern 11 fest mit dem Membrankörper 2 und wird durch
zwei weiche Führungsfedern 13, welche am Gehäuse 1 befestigt sind, am seitlichen
Ausweichen gehindert. Das Joch des Differentialtransformators 10 enthält die Primärwicklung
14 als Erregerwicklung und die Sekundärwicklungen 15 und 16 als Meßwicklung. Der
Elektromagnet 7 ist mit einer unmagnetischen Schutzhülle, z. B. aus Aluminium oder
Messing, 17, umgeben, um schädliche magnetische Einwirkungen des Stahlgehäuses 1
auf den Magneten 7 auszuschalten. Im Ausführungsbeispiel sind die Einzelteile des
Meßwerkes, z. B. der Elektromagnet 7 mit Zubehör und der Differentialtransformator
10 mit Zubehör, beiderseits des Meßmembrankörpers 2 angeordnet. Diese Anordnung
kann auch so erfolgen, daß die Einzelteile auf nur einer Seite des Meßmembrankörpers
2 liegen, entweder auf der P+-Seite oder auf der PSeite. Diese Anordnung wird dann
empfohlen, wenn der Meßstoff nicht angreifend auf die. Membranen einwirkt, und es
wird dann jeweils eine Schutzmembrane3 oder 4 einschließlich der Teilfüllung mit
Schutzflüssigkeit fortgelassen. Für reine Druckmessungen, insbesondere für nichtangreifende
Stoffe, können beide Schutzmembranen entfallen einschließlich der ganzen Schutzfüllung.
Die Überdrucksicherung 6 und 6 a wird dann in bekannter Weise an den Meßmembrankörper
verlegt und von diesem betätigt. Die Enden der Magnetwicklung 8 sowie die Enden
der Differentialtransformatorspulen 14, 15 und 16 sind über die elektrischen Drucklastdurchführungen
18 bis 25 aus dem Gehäuse 1 bzw. aus dem Druckraum 5 herausgeführt. Außerhalb des
Druckraumes wird der Ausgang 18 bis 21 des Differentialtransformators an eine Abgleichvorrichtung
26 angeschlossen, welche ein Nullpunktabgleichpotentiometer 27 enthält und außerdem
eine Gleichrichteranordnung zur Gleichrichtung der Meßspannung. Die gleichgerichtete
Meßspannung wird weiter dem Verstärker
mit hoher Verstärkung und
Endstufe 28 zugeführt, dessen Ausgangsstrom an die Durchführungen 24, 25 der Magnetwicklung
8 angeschlossen ist. In diesem Stromkreis liegt der Widerstand 30, in dem der Ausgangsstrom
des Verstärkers 28 eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird dem Ausgangsmeßverstärker
31 als Eingangsspannung zugeführt. Außerdem wird von dieser Spannung durch die Widerstände
29 eine Teilspannung abgegriffen, die an den Eingang des Verstärkers 28 als Gegenkopplung
zur Wirkung gebracht wird. Mit diesen Widerständen 29 wird der Meßbereich abgestimmt.
Mit Hilfe von hier nicht gezeichneten Widerständen im Verstärker 31 werden die Ausgangsstrombereiche
des Transmitters eingestellt, welche an den Ausgangsklemmen 32 und 33 zu entnehmen
sind. Ein hier nicht dargestelltes Netzgerät versorgt den Verstärker 28 und 31 mit
konstanter Betriebsspannung, desgleichen einen Multivibrator 42, dessen Ausgang
an die Enden der Erregerwicklung 14 des Differentialtransformators 10 bzw. an deren
Durchführungen 22 und 23 angeschlossen ist. Der Verstärker 28 ist in Verbindung
mit dem Differentialtransformator 10 so abgestimmt, daß er bei einer Auslenkung
des Kernes 11 um etwa ein fünfzigstel Millimeter voll ausgesteuert ist. Wird also
auf die Druckräume P + und P - ein Differenzdruck gegeben, so wird der praktisch
ungefesselte Membrankörper 2 ausgelenkt, desgleichen der Kern 11 und der Anker 9.
Unverzüglich steuert wegen der Auslenkung des Kernes 11 der Verstärker 28 aus und
erregt die Wicklung 8 des Magneten 7. Der Anker 9 wird in Richtung des Magneten
7 zurückgezogen und macht die Auslenkung des Kernes 11 bzw. des Membrankörpers 2
rückgängig bis auf einen Restbetrag, welcher im Bereich von null bis ein fünfzigstel
Millimeter liegt, wenn sich das Gleichgewicht der Kräfte eingestellt hat. In diesem
Bereich hat der Zugmagnet bei konstantem Strom unveränderliche Zugkraft, so daß
Meßfehler infolge dieses bleibenden Hubes nicht vorkommen. Der Strom, der für diese
Kraftwirkung notwendig ist, ist dem Wurzelwert der Kraft proportional, welche der
Membrankörper 2 infolge des angelegten Differenzdruckes erzeugt. Der Widerstand
30, der in den Stromkreis der Magnetwicklung 8 mit eingeschaltet ist, erzeugt also
eine Spannung, welche auch proportional dem Wurzelwert des Differenzdruckes ist.
Das gleiche gilt somit für den Ausgangswert des Verstärkers 31 bzw. die Ausgangsklemmen
32 und 33 des gesamten Gerätes. Überdies ist dann der elektrische Ausgangswert proportional
dem Durchfluß an der Meßblende.
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Die zum Differentialtransformator gehörende Abgleichvorrichtung26
liegt außerhalb des Druckraumes und enthält die an die Durchführungen 18 und 21
angeschlossenen Diodengleichrichter 34, 35 sowie die an die Dioden angeschlossenen
Ladekondensatoren 36, 37. Zwischen den durch zwei Entladewiderstände gebildeten
Spannungsteiler 38 liegt eine Endklemme 40, desgleichen zwischen dem Spannungsteiler
39 die Endklemme 41. Das Nullpunktabgleichpotentiometer 27 verbindet die Spannungsteiler
38 und 39 miteinander, und sein Greifer ist unmittelbar mit den gemeinsamen Polen
der Ladekondensatoren36 und 37 verbunden, an die auch die Durchführungen 19, 20
der Differentialtransformatorwicklungsenden 15, 16 geführt sind. In diesem
Ausführungsbeispiel
sind die Dioden 34, 35 gleichsinnig gepolt. Durch die Zeichen 1- - t ist das an
den Anschlüssen der Ladekondensatoren kenntlich gemacht. Die Plusspannungen sind
jedoch je nacll der Stellung des Kernes unterschiedlich, so daß sich an der Widerstandsstrecke
38, 27, 39 eine Meßspannung als Differenz zweier Ladespannungen ergibt, von welcher
ein Anteil an den Klemmen 40 und 41 abgegriffen wird. Diese Endspannung kann ihre
Richtung wechseln, und ihr Nulldurchgang kann gemäß der Erfindung mit Hilfe des
Greifers vom Potentiometer 27 gegenüber dem Nulldurchgang der Ladespannungsdifferenz
verschoben werden. In den F i g. 2 und 3 sind zwei weitere Schaltbeispiele einer
erfindungsgemäßen Abgleichvorrichtung für den elektrischen Nullpunktabgleich des
Differentialtransformators gezeigt. In F i g. 2 ist der Spannungsteiler 38 der F
i g. 1 als Potentiometer ausgebildet und dessen Schleifer mit der Endklemme 40 verbunden.
Das Potentiometer 27 entfällt dafür. In der F i g. 3 sind die Diodengleichrichter
gegensinnig gepolt, indem die Wirkungsrichtung der Diode 34a vertauscht ist.
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Die Zeichen - + - + zeigen den Richtungssinn der Spannungen an. Die
Endklemme 40 wird hier mit dem Schleifer des Abgleichpotentiometers 27 verbunden
und die Endklemme 41 mit der Verbindungsleitung der Ladekondensatoren 36 und 37.