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Elektrischer Druck-Aufnehmer Die Erfindung betrifft einenelektrischen
Druck aufnehmer ######## mit einer an ihrem Umfang gelagerten Membran, derartiger,
durch die Wölbung einer der beiden Membranflächen bestimmter Form, dass die Dicke
der Membran von einer dUnnston Stelle am Membranmittelpunkt zum Membranumfang hin
progressiv zunimmt.
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Es ist in der Technik bekannt, elastische Dehnungen, die von Deformationen
kreisförmiger Membranen, die an ihrem lueseren Umfang eingespannt sind, herrUhren,
zu messen und solohe Messungen auszudrücken als Differenz der auf die Flächen der
Membran wirkenden Drucke. Im allgemeinen werden solche Membranen aus Material in
gleicher StKrke gemacht und sind im wesentlichen im unbelasteten Zustand flach.
In der Technik ist es weiterhin bekannt, wellig oder in'anderer Weise geformte Membranen
zu verwenden, bei welohen nicht das gesamte Membranmaterial im wesentlichen in einer
Ebene liegt.
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Elektrlsche WiderstandadehnungsmeDstreifen sind als besonders vorteilhaft
zur exakten Aufnahme der Membrandehnungen gefunden worden.
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Die modernen Anforderungen fUr hoohgenaue Messungen sind durch die
existierenden Formen von Membran-Messvorrichtungen nicht voll erfüllt worden und
es wurde gefunden, dass eine der Hauptschwierigkelten in dieser Beziehung auf don
Nichtllneariiaten der Charakteristik dieser Vorrichtungen beruht. Beispielsweise
verwendet eine bekannte Type soloher Meavorrichtungen elektrische weiderstandsdehnungsmeßstreifen
zur Aufnahme der radiale Dehnungen, sowohl in positive, als auch in negativer Richtung,
an Stellen innen und aussen entlang einer Fläche der dembran, wobei nachteiligerweise
die gemessenen Dehnungen und Stauchungen nicht nur nichtlinear
und
voneinander versehieden sind, sondern auch nicht proportional variieren in Abhängligkeit
von einem Weohool im aufgebrachten Druck.
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Die maximale radiale Dehnung In der N§he des Kusseron Umfanges der
Membran kann dan zweifache derjenigen In der Nähe des Mittelpunktes der Membran
betragen, so dass fUr einen gegebenen elektrischen Ausgangswert der Sioherheitsfaktor
der Einrichtung bestimmt wird durch dan Vorhandensein einer Spannung, die grösser,
als fUr MeBzweoke benötigt, ist, und die Vorrichtung keinen optimale Wirkungsgrad
Besitzt. Die Forderungen nach Linearltät und maximale Auegang verlangen jedoch fUr
Dehnung und Stauohung gleiche Werte Uber don ganzen Arbeitsbereich. Dies inbesondere
bei Vorriohtungen mit Hablbleiterdehnungsmeßstreifen.
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Eine andere Schwierigkeit der bekannten vorrichtungen liegt In don
aehr steilen Gradienten radiale Spannung in der Nnhe des Membranumfanges, so dans
sehr geringe Abweichungen der Dehnungsmeßstreifen von den vorgeschriebenen Orten
in der Nahe des Umfanges grosse @nderungen und Fohler des elektrischen MeBsignals
hervorrufen. Dies macht die Anordnung von MoBstrelfen am Umfang sehr kritisch, insbes.,
wenn versucht wird, die Vorrichtung möglichst klein zu machen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachtelle der bekannten Corrichtungen
zu vermeiden und bol optimale MeC-effekt eine Vorrichtung mit linearer Charakteristik
zu erzielen. Dies wird daduroh erreicht, dass gemäss der Erfindung der zu messende
Druck in der Wölbung der einen MembranRlXcho entgegengenatzter Richtung auf die
Membran geleitet wird und das %verhältnis von Radius der Wölbung g zur Membrandicke
im Mittelpunkt so geweählt ist - vorzugsweise im Bereich loo : 1 bis 600 : 1 - dass
die duroh den Druck im Membranmaterial hervorgerufenen Dehnungen in der Nähe des
Umfanges gleich gross und entgegengerichtet denjenigen In der Nähe des Mittelpunktes
sind und dass d r
Gradient der radialen Dehnung am Umfang möglichst
gering wird.
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Es lot zwar berolta eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die Membrandicke
naoh der Formel h = ho e 4(x/D)2 gestaltet tat, wobei h die Membrandicke, h die
Membrandicke im Mittelpunkt, D der Membrandurahmesser und x der radiale Abatand
vom Membranmittelpunkt ist. Bel dieser bekannten Vorrichtung wird die zu messende
Kraft bzw. der zu messende Druck in Wölbungsrdchtung d. h. in die Wölbung hinein
auf die Membran geleitet.
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Auf diese weise wird jedoch das gesteckte Ziel, d. h. die Linearisierung
der Chsraktorlstlk der Yorrichtung nicht erreicht, Weitere Merkmale der Erfindung
sind den Unteranspruüchen zu entnehmen. In der nachfolgenden Beschreibung lot die
Erfindung anhand der Schematischen Zeichnetungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine gemäss der Erfindung ausgebildete
Vorrichtung.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung für die Meßstreifen
der vorrichtung gemäss fig. 1 Fig. 3 zeigt in vergrösserter Darstellung die isolierte
sphärisoh gebogene untere Floche der Membran der Vorrichtung gemäsds Fig. 1 Zusammen
mit einem darauf angebrachten, nach Art einer gedruckten Schaltung ausgebildeten
widerstandsdehnungsmeßstreifen-Element.
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Fig. 4 zeigt eine bekannte Ausführung zusamen mit zwei Kennlinien
der Dehnungen an der unteren Membranfläche bei verschiedenen Drücken.
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Fig. 5 zeigt zur Gegenüberstellung mit Fig. 4 die erfindungsgemässe
Vorrichtung mit den Kennlinien fUr zwei verschiedene Drücke.
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Fig. 6 zeigt eine Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung.
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In Fig. 1 besteht die im wesentlichen zylindrische Druckmessvorrichtung
7 aus zwei Teilen 8 9, welche die den Druck aufnehmenden Teile und die elektrischen
Teile der Vorrichtung einschliessen. Am einen Ende wird über eine druckdichte Kupplung
lo das unter Druck stehende Medium über einen Verteiler 12 einer Druckkammer 11
zugeRUhrt. Der aufgebrachte Druck, symbolisiert durch den Pfeil 13, wirkt auf die
flache obme Flache 14 einer elastischen Metallmembran 15, deren untere Fläche 16
konkav gebogen ist. Unter der Druckwirkung wird die Membran nach un',. gedrückt,
während ihre Peripherie duroh das starre, hohlzylindrische Gehäuseteil 8, dessen
integraler Bestandteil sie ist, festgehalten wird. An der unteren konkaven membranfläche
16 sind vier elektrische Widerstandsdehnungsmeßstreifen 17 bis 20 angebracht, von
welchen die Elemente 17 und 19 radial in der Nähe des Zentrums der Membran und die
Elenmente 18 und 2o radial in der Nähe des Umfanges angeordnet sind. Diese an sich
bekannte Anordnung der MeBstreifen bewirkt, dass die inneren MeBstrelfe auf Dehnung
und die äusseren auf stauchung der unteren Membranfläche unter dem Einfluss einer
auslenkung nach unten an0 sprechen. Elektroische Anschluss-Stifte 21 verbinden die
MeBatreifen mit aussen liegenden @lementen, wie dem Hilfswiderstand 22 und einem
elektrisehen Vielfachansahluss 25 am auseteil 9. wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind
die inneren und äusseren MeHatreifen in den gegenüberliegenden Zweigen einer üblichen
Brückenschaltung anbgeordnet. Von der Einrichtung 24, welche eine Batterie enthalten
kann, wird die Meßbrücke gespeist. Das Instrument 25, welches ein Empfindliches
strommeßgerrät sain kann, zeigt die Ausgangsgrösse entsprechend den gemessenen Dehnungen
und demmach den aufgebrachter. Druck an. In bekannter weise können in der
Schaltungsanordnung
noch Abgleich- oder andere Schaltungselemente angeordnet sein.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, können die Widerstandsdehnungsmeßelemente,
z. B. die Elemente 17 bis 2o, in Ublicher Weise anstatt als Dratitme3streifen als
Folienme3screifen ausgebildet sein. Diese kdnnen installiert sein als eine Einheit
und können eine grosse bogenförmige Ausdehnung besitzen, um so in optimaler Weise
die Fläohendehuungen aufzunehmen. In diesem Falle ist die konkave Flache elektrisch
von der Meßfolie durch eine donne Isolationsla. lsoliert. Die Effekte der Radialdehnunger,
bewirken in den Elementen 18 und 2o eine etwa gleichgrosse Veränderung des elektrischen
Widerstandes wie die Tangentialdehnungen in der Nähe des Mittelpunktes (wo Tangentialdehnunges
und kadialdehnungen etwa gleich gross sind) in den Elementen 17 lementen 17 und
19. Diese Widerstandsänderungen führen zu maximaqler Srückenverstimmung und somit
zu maximaler Maßempfindlichkeit. Obwohl jedoch diese Meßelemtnenpaare in-zen Widerstand
in gleicher Welse entsprechend jedem Wechsel des Aufgebrachten Druckes ändern, verhält
sich das Ausgangssignal der Brkcke nicht linear zu den Druckänderungen, Es wurde
gefunden, dass eine gleichförmigen Stärke der Membran, wiE sie bisser allgemein
verwendet wurde, die Ursache solcher. @ichtllnearitäten ist und zwar well sie grosse
Auslenkungen der Membran beim Vorliegen grosser Druckdifferenzen zulassen. Verhältnismässig
dünne Membranen, deren Stärke relativ gering im Vergleich zu ihrem Durohmesser ist,
lassen @ grössere @iochtlinearitäten zu und sind deshalb nicht géisill. @t für schr
genaue empf indliche Messungen über weite Beriche.
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Bie Darst@llungen In Fig. 4 charakterisieren das vorer-Wähnte nie
@@ineare Verhalten dünner, gleichnäßäg flacher Mejmeranen,wie die dargestellte kreisförmige
membran 26, die eine gleichmässige Stärke T besitzt und an ihrer Peripherie von
einem mit ihr vereinigten Mohlzylinder 27 gehalten wird.
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Ein zur Wirkung kommender Druck P 1 bewirkt die dargestellte, abwärtsgerichtete
Auslenkung der Membran und, soweit diese Auslenkung des Mittelpunktes nicht Uber
ein Drittel von T hinausgeht, den in der Kennlinie 28 dargestellten Dehnungsverlauf.
Die Dehnungen in der Nhe des Zentrums und der Peripherie sind von unterschiedlicher
Grosse und einander entgegengerichtet.
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Die Dehnungsgradienten in den Bereichen 28a und 28b, entsprechend
den Orten in der NEhe der Peripherie der Membran, sind sehr steil, woraus hervorgeht,
dass dieanbringung von MeBstreifen an diesen Stellen sehr kritisch fUr eine optimale
Wirkungsweise der Vorrichtung ist. Wenn die Auslenkung der Membran mehr als die
Hälfte von T beträgt, wird das VerhKltnis zwischen den Dehnungen in der Näh* des
Zentrums und der Stauchung in der Nähe der Peripherie noch unterschiedlicher, wie
in der Kennlinie 29 dargestellt. PUr die durch die Kennlinie 29 charakterisierten
VerhEltnlsse werden bei einem Druck von 3P1 die maximalen Dehnungen an der Peripherie
kleiner als das dreifache der Dehnungen bei einem Bruck von P1, während die maximalen
Dehnungen im Zentrum ebenfalls weniger als das dreifache betragen. Dies führt zu
einem Verlauf des MeBergebnisses in der Brücke, welches nicht linear zu dem aufgebrachten
Druck ist. Wie zuvor festgestellt, sind die Dehnungsgradienten in der Nshe der Peripherie
der Membran sehr steil, Darüber hinaus bewegen sich die Nulldur¢hgSnge der radiale
Dehnungen mit wachsenden Membranauslenkungen radial nach aussen (z. B. ist R2 grosseur
als Rl). In der Praxis wurden z. B.
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NlchtllnearltSten über 3 % gefunden bei einem Maximal-Dehnungsniveau
von 2, ooo mikro-meter pro Meter (µm/m) und einer Membranstärke von o, 38 mm.
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Im Vergleich hierzu sind in Fig. 5 die Verhdltnisse bei einer gemäss
der Erfindung ausgebildeten Membran 32 duroh die Kennlinien 3o und 31 für aufgebrachte
Drucke P1 und 3P1 und für Auslenkungen des Membranmittelpunktes, die weniger als
ein Drittel und mehr als die Hälfte der Stdrke T1 im Mittelpunkt sind, dargestellt.
Die kreisfdrmige Membran
32 hat eine normalerweise ebene Fläche
33, wenn sie nicht duroh einen Druck P1 des Mechanismus außgelenkt ist. 91e hat
weiter eine konkave untere Flache 35 in sphärisoher Form mit einem Radius S (in
der Zeichnung nicht dargestellt) mit einem Mittelpunkt senkrecht unter der Membranmitte.
Die Konturen der Membran 32 im unbelasteten Zustand sind mit gestrichelten Linien
in Fig. 5 dargestellt. Die StKrke T1 im Mittelpunkt der Membran ist geringer ale
die Membranstärke T2 am Umfang. Die Xnderung der MembranstKrke ist beßtimmt duroh
den sphärischen Radius S. Das Verhältnis S/T1 ist insolfern wichtig, als es die
Spannungsverteilung in der Membran und die LinearitNt der Relation zwischen Druck
und Dehnung beatimmt. Ein optimaler Bereich fUr das erhältnis S/T1, welches vorteilhaft
ist für Membranen von etwa 25 mm Durchmesser, liegt zwisohen etwa loo : 1 und 600
: 1. Sperzielle Beispiele von S und T1, die als zweckmässig für erfindungsgeßässe
Vorrichtungen mit einem Membrandurchmesser von 24 mm gefunden wurden, sind folgende
: zugehörige Brücken-Meßbereich kp/cm2 T1 - [mm] s - [mm] Ausgansspannung [mV/V
Speisung] 35,1 0,5 184,1 3 70, 3 0, 8 152, 4 3 140, 6 1,2 133, 3 3 Es wurde gefunden,
dass die Formgebung der Membran 32 und der gleichen Membran 15 (Fig. 1) eine maximale
Stauchung in d er NWhe des Umfangs hervorbringt, welche etwa gleich ist der maximalen
Dehnung in der NShe des Zentrums der Membran.
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Die Kennlinien 30 und 31 zeigen dies für eine Auslenkung geringer
als ein Drittel von T1 und mehr als die H§lRte von T1. Hierbei ist zu bemerken,
dass sowohl die maximalen, als
auoh die minimalen einander entgegengerichteten
Spannungen unter den genannten extremen Bedingungen fUr beide Lagen die gleichen
sind. Ein optimales Verhältais von S/T1 kann empirisch oder rechnerisch ermittelt
werden. Ein zusEtzlicher wichtiger Effekt besteht darin, dass das Gefälle der radiale
Dehnung in der Hähe des Umfanges der Membran, wie sie in Flg. 5 mit 3oa und 31b
bezeichnet sind, wesentlich niedriger als bei der bekannten Membran gemäas Fig.
4 und in manchen Fällen annähernd konstant sind. Dies macht die Anordnung der meßstreifen
weniger kritisch und ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung sehr kleiner
MeBvorrichtungen mit kleinen Membranen. Eine sorgfältige ilahl der Form der konkaven
unteren Manbranfläohe sichert, dass die Nulldurchgänge der radialen Dehnungen über
einenwelten Wirkungsbereich in etwader gleichen radiale Entfernung vom Mittelpunkt
bleiben (beispielsweise ist R3 etwa gleich R4 in Fig. 5).
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Zufolge der aleichheit der radiales Dehnungen am Um und im Zentrum
der Membran ist die Linearität bedeutend verbessert. Die erreichte Verbesserung
ergibt sich aus einem Vergleich, der gemksa der Erfidnung erreichten Linearltätsabweichungen
von o, o5 bis o, 25 % gegenüber Abweichungen von o, 5 bis 1 % und mehr von der Lineartiät
bei bekannten optimalen Vorrichtungen. Dieser unterschied ist von grosser Bedeutung
und stellt einen beachtilichen Vorteil in der Verminderung von Fehlern dar.
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Eine Für die hNerstellung besonders gecignete Ausführungsl'orin ist
in Fig. 6 dargestellt., lei dieser hat die membran 36 elze e Konkave untere Fläche
37 von etwa der gleichen Ausdehnung wie die unteren Enden Des hohlzylindrishcen
Gehäuses 38, so dass der sphärische Radius 8' in einfacher
Weise
maschinell herstellbar ist. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind in dieser Fig. 6 mit
denselben Bezugsziffern versehen.
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Obwohl die aphgrisohe Formgebung der konkaven Membranfläche vorzuziehen
ist, well sie für eine maschinelle.
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Herstellung besonders geeignet ist, kann die konkave Form etwasvon
der sphärisohen abweichen, ohne am Wesen der Erfindung etwas zu verändern. Prinzipiell
gilt, dass die Formgebung und die zu wghlende Dicke niedrige Gradienten radialer
Dehnung in der Nghe des Umfangs und eine Gleichheit der radiale Dehnungen in der
NKhe des Umfangs und derjenigen in der NKhe des Membranzentrums zum Ziele haben.
Zu diesem Zwecke können auch beide FlSchen der Membran eine Wölbung besitzen. Diese
Ausführung hat den Vorteil, dass Scherspannungen in der Nähe des Umfangs vermindert
werden und ein relativ hoher Druck (beispielsweise 3500 kp/cm2) aufgenommen werden
kann.
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Wie in Fig. 6 dargestellt, kann die konkave Floche 57 einen Durchmesser
besitzen, der grösser ist als der Druchmesser der gegenüberliegenden ebenen Membranfläche,
um die gewUnachte Dehnungsform zu erhalten. Die MeBstreifen sind vorzugsweise an
der konkaven Membranfläche angebracht und zwar derart, dass kcrosive Flüssigkeiten,
deren Druck gemessen werden aoll, die MeBstreifen nicht erreichen. Jedoch können
die Streifen auch auf der ebenen Flache angebracht werden, wenn und wo eine Korosionsbeeinflussing
nicht zu erwarten ist oder geeignete Schutzmaßnahmen ergriffen sind. Da die erfindungsgeßässen
Vorrichtungen Auslenkungen des Zentrums besitzen, welche auch linear zum aufgebrachten
Druck sind, können diese Auslenkungen gegebenenfalls als direktes MaB des Druckes
genommen werden. Unterschiedliche, auf die verschiedenen Seiten der Membran wirkende
Drucke kdnnen ebenso wie einseitig auf die Membran wirkende Drucke gemessen werden.