DE2911349A1

DE2911349A1 - Ueberdruckschutzvorrichtung und -verfahren fuer einen wirkdruckgeber

Info

Publication number: DE2911349A1
Application number: DE19792911349
Authority: DE
Inventors: Frederick D Ezekiel
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1978-04-03
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1979-10-11
Also published as: FR2422153A1; JPS54138965A; DE2911349C2; IT1115094B; JPH0158804U; GB2017919B; NL7902486A; CA1103478A; GB2017919A; NL181954B; FR2422153B1; US4135407A; JPH0125761Y2; IT7948554A0; NL181954C

Description

The Foxboro Company
Foxboro, Mass., V.St.A.

Überdruckschutzvorrichtung und -verfahren für einen Wirkdruckgeber

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Differential- bzw. Wirkdruckgeber und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewährleistung eines Uberdruckschutzes bei Druckbereichsüberschreitung (overrange pressure protection) für den Wandler eines Wirkdruckgebers.

Wirkdruckgeber werden verbreitet bei Verfahrensreglern eingesetzt, wobei sie häufig einen kleinen Differential- bzw. Wirkdruck bei hohen statischen Druckpegeln messen. Beispielsweise wird gewöhnlich ein Wirkdruck von 0,21 bar bei einem statischen Druckpegel von 70,3 bar gemessen. Die meisten elektrischen Wandler, etwa in Form von Halbleiter-Chips, die auf kleine Drücke anzusprechen vermögen, erleiden eine Beschädigung, wenn sie auf einer Seite mit dem vollen statischen Druck beaufschlagt werden. Zur Verhinderung einer solchen Beschädigung enthalten viele Wirkdruckgeber eine Einrichtung, welche den empfindlichen elektrischen Wandler vor Überdrücken, d.h. Druckbereichsüberschreitungen, schützt. Eine übliche Möglichkeit zur Gewährleistung eines solchen Schutzes besteht in der Anordnung von Trennmembranen zwischen dem

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elektrischen Wandler und dem Verfahrensmedium. Der Raum zwischen den Trennmembranen und dem Wandler ist dabei mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt, üblicherweise wird ein mechanischer Anschlag für die Trennmembran vorgesehen, um das·Volumen der von der Hochdruck- zur Niederdruckseite übertragenen Flüssigkeit zu begrenzen. Die meisten Druckwandler und speziell die derzeit gebräuchlichen druckempfindlichen Halbleiter-Chips sind mechanisch zu steif, um die übertragene Flüssigkeit ohne bleibende Beschädigung des Chips aufnehmen zu können. Aus diesem Grund sind Hilfsmaßnahmen vorgeschlagen worden, um den auf den Wandler einwirkenden Wirkdruck auf einen Druckbereich zu begrenzen, der keinen schädlichen Einfluß auf den Wandler hat.

Eine bisherige zusätzliche Schutzmaßnahme ist in der US-PS 3 058 350 beschrieben, wobei der Wandler durch zwei vorbelastete Balgen vor Druckbereichsüberschreitungen geschützt wird. Diese Balgen bleiben unausgelenkt, wenn der Geber mit einem innerhalb des Arbeitsbereichs des Wandlers liegenden Wirkdruck beaufschlagt wird. Sobald jedoch der Wirkdruck an der einen Seite des Gebers einen vorbestimmten, durch die Vorbelastung oder Verspannung des zugeordneten Balgens bestimmten Pegel überschreitet, beginnt sich der zugeordnete Balgen zu bewegen, um die aus dem Bereich hinter der einen Trennmembran bzw. dem einen Balgen verdrängte Flüssigkeit aufzunehmen.

Obgleich die Doppelbalgen-Schutzvorrichtung gemäß dieser US-PS einen zufriedenstellenden Uberdruckschutz bietet, erzielt sie diesen Schutz auf Kosten der Gebergenauigkeit aufgrund des von den beiden Balgen benötigten zusätzlichen Volumens. Typischerweise wird für

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die den Raum zwischen den beiden Trennmembranen und den beiden Balgen ausfüllende Flüssigkeit Silikonöl verwendet. Da das öl im Gebrauch des Wirkdruckgebers Temperaturschwankungen unterworfen ist, ändert sich das ölvolumen unter ungleichmäßiger Auslenkung der Trennmembranen. Durch die nicht-symmetrische Auslenkung der beiden Trennmembranen ergibt sich ein unerwünschter Nullabweichfehler des Wirkdruckgebers.

Um nun diese Ungenauigkeit möglichst klein zu halten, sollte das Strömungsmittelvolumen zwischen den beiden Trennmembranen möglichst klein gehalten werden. Da dieses Volumen das Volumen der Überdruckschutzvorrichtung einschließt, muß folglich auch das Volumen der Schutzvorrichtung auf einer Mindestgröße gehalten werden . Mit der Doppelbalgenvorrxchtung nach der genannten HS-PS kann aber das angestrebte minimale Volumen zwischen den Trennmembranen nicht erreicht werden.

Ein anderes Beispiel für eine bisherige Druckbereichsüberschreitungs- bzw. Überdruckschutzvorrichtung findet sich in der US-PS 3 756 085. Dabei ist eine magetische Ausrück kupplung vorgesehen, welche einen Balgen im normalen Arbeitsdruckbereich des Wirkdruckgebers im wesentlichen steif hält. Wenn die auf diese Kupplung wirkende Kraft den Grenzwert übersteigt, wird der Balgen ausgelenkt, so daß er die übertragung von Flüssigkeit von der Rückseite einer Trennmembran zu einer anderen zuläßt und dabei den Wirkdruck über den Wandler auf einen sicheren Wert begrenzt.

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Die Verwendung einer solchen magnetischen Kupplung erfordert nicht nur ein unerwünschtes zusätzliches Volumen für die Gewährleistung des Überdruckschutzes, sondern ist auch mit dem Mangel einer fehlenden Rückstellkraft zur Herbeiführung einer automatischen Rückstellung der Schutzvorrichtung behaftet. Bei dieser US-PS ist ein Druck in einer Richtung nötig, um die magnetische Ausrückkupplung in ihre Einrückstellung zurückzuführen. Wenn ein Schutz in zwei Richtungen nötig ist, sollen gemäß dieser US-PS zwei derartige magnetische Kupplungen verwendet werden. Hierdurch wird aber der Aufbau der Schutzvorrichtung weiter kompliziert, und es sind zusätzliches Volumen sowie Drücke in zwei Richtungen zur Hervorbringung der automatischen Rückstellung der Vorrichtung erforderlich. Vom praktischen Standpunkt stellen diese Mängel ein exhebliches Hindernis für die wirtschaftliche oder industrielle Verwendung dieser Vorrichtung dar. Obgleich die zuerst genannte US-PS eine Überdruckschutzvorrichtung mit automatischer Rückstellung aufgrund der Verwendung zweier vorbelasteter Balgen zeigt, wird dieses Merkmal auf Kosten des geringstmöglichen Volumens zwischen den beiden Trennmembranen erreicht.

Die US-PS 4 028 945 beschreibt ein Bereichsüberschreitungs- bzw. Überdruckschutzsystem für Wirkdruckgeber oder -Übertrager unter Verwendung einer bewegbaren, zweiseitig zusammendrückbaren, vorgespannten Feder in einem entlasteten Balgen. Im Betrieb legt sich die bewegbare Feder je nach der Richtung der Druckbereichsüberschreitung an verschiedene Flächen an. Jede Ungenauigkeit bezüglich der Anordnung dieser Flächen kann, ebenso wie die mangelnde Wiederholbarkeit der Federanlage an diesen Flächen, zu unannehmbaren Nullabweichungsfehlern führen. Außerdem wird durch die Bewegung der Feder von der einen Anlagefläche zur anderen ein unerwünschtes

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"Totband" in das System eingeführt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zur Gewährleistung eines Druckbereichsüberschreitungs- bzw. Überdruckschutzes für den Wandler eines Wirkdruckgebers ohne Beeinträchtigung seiner Arbeitsgenauigkeit.

Diese Vorrichtung soll eine Verkleinerung des Plüssigkeitsfüllvolumens zwischen den Trennmembranen eines Wirkdruckgebers ermöglichen.

Diese Vorrichtung soll dabei auch automatisch rückstellbar sein.

Die genannte Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß diese Aufgabe durch eine einzige, zuverlässige und wirtschaftliche Vorrichtung gelöst werden kann.

Erfindungsgemäß ist ein vergleichsweise steifer oder starrer Wirkdruckwandler, der durch eine inkompressible Flüssigkeit und weiche, flexible Trennmembranen gegenüber der Umgebung getrennt ist, vor Überdrücken, d.h. Druckbereich süber schrei tun gen, durch einen einzigen, vorbelasteten Balgen geschützt, der durch ein vorbelastetes Anschlagmittel, vorzugsweise mit einer vorbelasteten oder vorgespannten mechanischen Peder, begrenzt ist. Der parallel zum Wandler angeordnete Balgen verbleibt in einem unausgelenkten Zustand, solange der Wirkdruckgeber

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mit einem im sicheren Bereich liegenden Wirkdruck beaufschlagt wird. Je nach der Vorbelastung von Feder und Balgen dehnt sich letzterer jedoch in der einen oder anderen Richtung aus, wenn der Wirkdruckgeber bestimmten Wirkdruckpegeln ausgesetzt ist. Die Verschiebung des Balgens ermöglicht eine Verdrängung von Flüssigkeit von der Rückseite einer der Trennmembranen zur anderen. Wenn sich eine der Trennmembranen an die zugeordnete Stützplatte anlegt, kann keine weitere Flüssigkeitsübertragung mehr stattfinden, wodurch ein weiterer Wirkdruckaufbau bzw. -anstieg verhindert wird. Nach Aufhebung des Überdruckzustands kehren das vorbelastete Anschlagmittel und der Balgen automatisch in ihre normalerweise unbelastete Null-Stellung zurück.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung eines Wirkdruckgebers mit einer Überdruckschutzvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansicht der Schutzvorrichtung nach Fig. 1 in ihrem normalen Betriebszustand,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung, welche jedoch die Stellung der Schutzvorrichtung im Fall einer positiven Druckbereichsüberschreitung zeigt,

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Fig. 4 eine Fig. 2 ähnelnde Darstellung, welche jedoch die Stellung der Schutzvorrichtung bei einer negativen Druckbereichsüberschreitung zeigt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Auslenkung des Balgens der Schutzvorrichtung bei positiven und negativen Wirkdrücken,

Fig. 6 eine schematische Teilschnittdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Schutzvorrichtung, bei welcher sowohl Balgen als auch Feder in der Nullstellung unter Druckspannung stehen,

Fig. 7 eine schematische Teilschnittdarstellung noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in der Nullstellung die Feder unter Druckspannung und der Balgen unter Zugspannung stehen,

Fig. 8 eine Fig. 7 ähnelnde Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der Schutzvorrichtung, bei welcher in der Nullstellung die Feder unter Druckspannung und der Balgen unter Zugspannung stehen,

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Fig. 9 eine schematische Teilschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Schutzvorrichtung, bei welcher sich in der Nullstellung die Feder unter Zugspannung und der Balgen unter Druckspannung befinden, und

Fig. 10 eine schematische Teilschnittdarstellung noch einer weiteren Ausführungsform der Schutzvorrichtung in ihrer Nullstellung, in welcher sowohl die Feder als auch der Balgen unter Zugspannung stehen.

Fig. 1 veranschaulicht in Teilschnittdarstellung einen üblichen Wirkdruckgeber bzw« -übertrager 1O mit einem elektrischen Druckwandler 12 und einer erfindungsgemäßen Druckbereichsüberschreitungs- bzw. Überdruckschutzvorrichtung 14.

Der Aufbau des Wirkdruckgebers 10 ist an sich bekannt und braucht daher nur allgemein beschrieben zu werden, um eine Grundlage für das Verständnis der Überdruckschutzvorrichtung 14 zu bieten. Der Wirkdruckgeber 10 umfaßt zwei symmetrische, starre Einlaßdeckel 16 und 18, die an einer Trag- oder Stützplatte 20 montiert und mit Verfahrensdruckeinlässen 22 bzw. 24 in Form von Gewindebohrungen versehen sind. Der Einlaß 22 kommuniziert dabei mit einer Hochdruck-Verfahrensmediumkammer 26, die durch die Innenfläche des Deckels 16 und eine weiche, elastische, cfewellte Trennmembran 28 festgelegt wird. Letztere ist zwischen der Innenfläche des Einlaßdeckels 16 und der gewellten Fläche 30 der Tragplatte 20 verspannt.

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Die Niederdruckseite des Wirkdruckgebers 10 enthält eine entsprechende Niederdruck-Verfahrensmediumkammer 32, die durch die Innenfläche des Deckels 18 und eine weitere weiche, flexible, gewellte Trennmembran 34 festgelegt wird-, die ihrerseits zwischen der Innenfläche des Einlaßdeckels 18 und der gewellten Fläche 36 der Tragplatte 20 verspannt ist. Die Tragplattenflächen 30 und 36 begrenzen die Bewegung der flexiblen Trennmembranen 28 bzw. 34, wenn übermäßige Bereichsüberschreitungsdrücke über die Einlasse 22 bzw. 24 auf den Wirkdruckgeber einwirken.

Die Hochdruck-Trennmeinbran 28 und die Tragplattenfläche 30 bilden gemeinsam eine Hochdruck-Strömungsmittelkammer 38, die über einen Durchgang 40 mit der Hochdruckseite 42 des elektrischen Wandlers 12 sowie mit der Hochdruckseite 44 der Überdruckschutzvorrichtung 14 in Verbindung steht, die ihrerseits in einer zentralen Ausnehmung 45 angeordnet ist. Auf ähnliche Weise bilden die Niederdruck-Trennmembran 34 und die Tragplattenfläche eine Niederdruck-Strömungsmittelkammer 46, die über einen Durchgang 48 mit der Niederdruckseite 50 des Wandlers 12 sowie mit der Niederdruckseite 52 der Schutzvorrichtung 14 in Verbindung steht.

Selbstverständlich können die Hochdruck- und Niederdruckseiten auch die gegenüber Fig. 1 umgekehrte Anordnung besitzen. Ersichtlicherweise können außerdem die an die Schutzvorrichtung 14 anzulegenden Drucksignale auch über die Trennmembranen oder andere Druckbegrenzungseinrichtungen zugeführt werden.

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Gemäß Fig. 2 umfaßt die Überdruckschutzvorrichtung 14 einen einzigen vorbelasteten Balgen 54 und eine vorbelastete bzw. vorgespannte Feder 56. Der Balgen ist dabei am einen Ende gegen ein Basis- oder Sockelelement 58 hydraulisch abgedichtet. Das andere Ende des Balgens ist unter hydraulischer Abdichtung mit einer Platte 60 verbunden. Eine mit ihrem einen Ende an der Platte 60 befestigte, bewegbare Stange 62 erstreckt sich gemäß Fig. 2 in Aufwärtsrichtung durch eine Bohrung 6 4 im Sockelelement 58. Dieses Ende der Stange ist mit einer Gewindebohrung zur Aufnahme einer Schraube 66 versehen.

Zur besseren Verdeutlichung der Arbeitsweise der Überdruckschutzvorrichtung 14 ist diese in Fig. in ihrem unter Normalbedingungen eingenommenen Zustand veranschaulicht. Der Balgen 54 ist dabei so vorgespannt, daß er gemäß Fig. 2 über die Stange 62 eine abwärtsjgerichtete Kraft F. ausübt. Diese Kraft wird wiederum über einen Kopf 70 der Schraube 66 auf eine freibewegliche Hülse 68 übertragen. Die vorgespannte Feder 56 übt dagegen eine aufwärtsjgerichtete Kraft F_g auf die freibewegliche Hülse 68 aus. Bei dieser Konstruktion ist die Kraft F_ größer als die Kraft F, . Die Hülse wird daher gegen einen Anschlag 72 angedrückt, der gegenüber dem Basis- bzw. Sockelelement 58 festgelegt ist. Ersichtlicherweise bilden die vorgespannte Feder 56, die Platte bzw. der Schraubenkopf 60, die Stange 62, die Hülse 68 und der Anschlag 72 gemeinsam eine vorbelastete Anschlageinrichtung 73 für den Balgen 54.

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Die Hülse 68 liegt nicht nur am Anschlag 72, sondern auch an der Unterseite des Schraubenkopfes 70 an. Der Anschlag 72 und die Unterseite des Schraubenkopfes 70 bilden genau festgelegte Sitzflächen für die freibewegliche Hülse 68, wodurch ein genaues und wiederholbares Wiederanlegen der Hülse bei der Rückbewegung nach einem Uberdruckzustand gewährleistet wird. Eine solche genaue und wiederholbare Rückstellung der Bauteile ist wünschenswert, um ein vorbestimmtes Volumenverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Strömungsmittelkammer 38 bzw. 46 aufrechtzuerhalten. Abweichungen dieses Kammervolumenverhältnisses führen zu Eichfehlern.

Wenn der Wirkdruckgeber gemäß Fig. 3 mit einem positiven Wirkdruck beaufschlagt wird, wird dieser positive bzw. hohe Druck über die Hochdruck-Trennmembran 28 und die aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht gezeigte Füllung der inkompressiblen Flüssigkeit zur Hochdruckseite 44 der Schutzvorrichtung 14 und zur Außenseite des Balgens 54 übertragen. Auf ähnliche Weise wird ein Niederdruck zur Innen- bzw. Niederdruckseite 52 des Balgens übertragen. Durch Multiplikation des positiven Wirkdrucks mit der Effektivfläche des Balgens 54 kann die durch diesen Druck erzeugte Kraft berechnet werden, welche der Vorspannkraft F, des Balgens entgegenwirkt. Solange die durch den Druck induzierte Kraft kleiner ist als F, , erfährt somit der Balgen 54 keine Auslenkung. Wenn diese Kraft jedoch die Größe F_fa übersteigt, zieht sich der Balgen zusammen, wobei sich der Schraubenkopf 70 gemäß Fig. 3 von der Hülse 68 trennt. Mit zunehmendem positiven Wirkdruck zieht sich der Balgen weiter zusammen, bis sich die Hochdruck-Trennmembran 28 an die Tragplattenfläche 30 anlegt. An diesem Punkt kann kein weiteres Strömungsmittel der Füllung mehr

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aus dem Bereich hinter der Trennmembran verdrängt werden, und die Bewegung des Balgens wird beendet, wodurch der über den Wandler einwirkende Wirkdruck auf einen sicheren Wert begrenzt wird.

Wenn der den Druckbereich überschreitende positive Wirkdruck zu bestehen aufhört, dehnt sich der verkürzte Balgen 54 wieder in seine normale vorgespannte Stellung gemäß Fig. 2 aus. Hierdurch wird eine automatische Rückstellung der Schutzvorrichtung nach Überschreitung des Druckbereichs im Sinne eines positiven Wirkdrucks gewährleistet. Wie erwähnt, nimmt die Unterseite des Schraubenkopfes 70 genau und wiederholbar ihre Relativstellung gegenüber der Hülse 68 ein.

Fig. 4 veranschaulicht den umgekehrten Fall, in welchem ein negativer Bereichsüberschreitungs-Wirkdruck auf den Balgen 54 einwirkt. Der Balgen bleibt dabei unausgelenkt, bis die an ihm durch den negativen Wirkdruck induzierte Kraft dem Unterschied zwischen der

Federkraft P und der Balgenvorspannungskraft F, gleich s ο

ist. Bei einem weiteren Anstieg des negativen Wirkdrucks dehnt sich der Balgen aus, wobei die freibewegliche Hülse 68 vom Anschlag 72 freikommt. Eine weitere Ausdehnung des Balgens führt zu einer gleichzeitigen weiteren Zusammendrückung der Feder 56 gemäß Fig. 4. Wenn der negative Wirkdruckzustand zu bestehen aufhört, kehrt der nunmehr ausgedehnte Balgen in seinen normalen, vorgespannten Zustand gemäß Fig. 2 zurück, wodurch eine automatische und genaue Rückstellung der Schutzvorrichtung nach einer Überschreitung des Druckbereichs durch einen negativen Wirkdruck gewährleistet wird.

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In Fig. 5 ist die Leistung bzw. Arbeitsweise der Uberdruckschutzvorrichtung 14 in graphischer Form zusammengefaßt. Dabei bezieht sich die X-Achse auf die Auslenkung des Balgens 54, während auf der Y-Achse der den Balgen beaufschlagende Differential- bzw. Wirkdruck aufgetragen ist. Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Balgen 54 unausgelenkt bleibt, bis er von einem positiven bzw. überdruck AP₁ beaufschlagt wird, woraufhin sich der Balgen verkürzt, bis der Wirkdruck ΔΡ₂ erreicht ist, welcher das Anlegen der Hochdruck-Trennmembran 28 an die Tragplattenfläche 30 anzeigt. Die Anstiegsgröße oder -geschwindigkeit des Wirkdrucks in Abhängigkeit von der Balgenverkürzung wird lediglich durch die Federkennung des Balgens bestimmt und kann beliebig eingestellt werden. Bei einer niedrigeren Federkennung bzw. -konstante (spring rate) verringert sich folglich der Wirkdruckanstieg über ^P₁ hinaus.

Auf ähnliche Weise beginnt sich der Balgen auszudehnen, wenn ein die Größe ΔΡ, übersteigender negativer Wirkdruck anliegt. Der maximale negative Wirkdruck entspricht Λ P₄, wobei sich an diesem Punkt die Niederdruck-Trennmembran 34 an die Tragplattenfläche 36 anlegt. Das Ausmaß, in welchem der negative Druck bzw. Unterdruck mit der Balgenausdehnung über AP₃ hinaus zunimmt, bestimmt sich durch die Summe aus den Federkonstanten sowohl der Feder als auch des Balgens. Diese Größe kann beliebig eingestellt werden. Zusätzlich kann durch Verringerung der Vorspannung der Feder die Größe 4P, auf einen sehr kleinen Wert reduziert werden, falls eine solche Charakteristik wünschenswert ist. Wahlweise kann die Größe Δ P- auf einen sehr geringen Wert reduziert werden, wenn eine entsprechende

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Charakteristik gewünscht wird.

Aus den folgenden Ausführungen geht hervor, daß bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1-4 der vorgespannte Balgen bei einem den Druckbereich überschreitenden positiven Wirkdruck zusammengedrückt bzw. verkürzt wird, während die vorgespannte Feder unbeeinflußt bleibt, Unter negativen Wirkdruckbedingungen werden sowohl die Feder als auch der Balgen beeinflußt. Dabei wird der Balgen "ausgedehnt", d.h. von seiner Vorspannung entlastet, während die Feder weiter zusammengedrückt wird.

Ersichtlicherweise stellt die spezielle Ausführungsform gemäß den Fig. 1-4 nur ein Beispiel für eine Vielfalt möglicher Konstruktionen dar, mit denen die Erfindungsaufgabe gelöst werden kann.

In den Fig. 6-10 sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung 14 dargestellt.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher die Feder 56 außerhalb des Balgens 54 angeordnet ist. Wie im Fall der Ausführungsform gemäß den Fig. 1-4 stehen sowohl die Feder als auch der Balgen in der Nullposition unter einer Druckspannung. Die Feder 56 übt gemäß Fig. 6 eine aufwärts|gerichtete Kraft gegen eine Platte 54 aus, die an einer Stange 62 befestigt ist und an der Balgenplatte 60 anliegt. Die Aufwärtsbewegung der Stange 62 wird durch einen an einem Anschlag 76 anstoßenden Schraubenkopf 70 begrenzt. Die Druckübertragung zum Inneren des Balgens 54 erfolgt über einen Durchgang 78 über die als "Masse" wirkende Basis 58.

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Wenn ein den Druckbereich überschreitender überdruck auf die Außenseite des Balgens 54 einwirkt, wird dieser weiter zusammengedrückt, so daß sich die Platten 60 und 74 voneinander trennen. Es ist zu beachten, daß in diesem Zustand die Feder in der Stellung gemäß Fig. 6 verbleibt.

Wenn ein den Druckbereich überschreitender Unterdruck an der Außenfläche des Balgens 54 anliegt, dehnt sich der Balgen unter weiterer Zusammendrückung der Feder 56 aus. Nach Beendigung der jeweiligen Druckbereichsüberschreitung, sowohl im positiven als auch im negativen Sinne, kehrt die Schutzvorrichtung selbstverständlich automatisch in ihre Nullposition gemäß Fig. 6 zurück.

Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform verwendet eine andere Vorbelastungs- bzw. Vorspannanordnung für Feder und Balgen. Gemäß Fig. 7 steht die Feder 56 in der Nullstellung unter einer Druckvorspannung, während der Balgen 54 unter einer Zugvorspannung steht. Wenn ein positiver Wirkdruck bzw. ein überdruck auf die Außenseite des Balgens 54 einwirkt, wird die Zugspannung des Balgens verringert, während die Feder zwischen der Basis bzw. "Masse" 58 und der Platte 74 weiter zusammengedrückt wird. Im umgekehrten Fall, d.h. bei einem die Außenseite des Balgens 54 beaufschlagenden negativen Wirkdruck bzw. Unterdruck, bleibt die Federdruckspannung unbeeinflußt, während sich die Zugspannung am Balgen vergrößert. Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 können nach Aufhebung des Bereichsüberschreitungszustands die Feder und/oder der Balgen in den normalen vorgespannten Zustand in der Nullstellung gemäß Fig. 7 zurückkehren.

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Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung, bei welcher die Feder in der Nullstellung unter einer Druckspannung steht, während der Balgen mit einer Zugspannung vorbelastet ist. Im Gegensatz zur Anordnung nach Pig. 7 steht jedoch die vorgespannte Feder 56 nicht mit einer Basis oder einem Sockel- bzw. "Masseelement" 58 in Berührung. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 ist die Feder zwischen der Balgenplatte 60 und der freibeweglichen Hülse 68 unter einer Druckbelastung vorgespannt. Bei dieser Ausführungsform entlastet ein die Außenseite des Balgens 54 beaufschlagender positiver Wirkdruck die Vorbelastungs-Zugspannung am Balgen 54, während gleichzeitig die Feder 56 zwischen der Balgenplatte 60 und der freibeweglichen Hülse 6 8 weiter zusammengedrückt wird. Der umgekehrte Fall eines negativen Wirkdrucks an der Außenseite des Balgens 54 führt zur Erhöhung der Zugspannung im Balgen 54, jedoch ohne Beeinflussung der Druckspannung der Feder 56. Nach Aufhebung des Druckbereichsüberschreitungszustands kehrt die Schutzvorrichtung automatisch in die Nullstellung gemäß Fig. 8 zurück.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform steht die außerhalb des Balgens 54 angeordnete Feder 56 in der Nullstellung unter einer Zugspannung. Die Feder ist dabei auf passende Weise, beispielsweise durch Schweißen, sowohl an der Basis bzw. am Sockel 58 als auch an einer Platte 80 befestigt. Die Abwärtsbewegung der Feder 56 wird gemäß Fig. 9 durch Anlage der Platte gegen einen Anschlag 82 begrenzt. Der sowohl an der Basis 58 als auch an der Balgenplatte 60 befestigte Balgen 54 steht in der Nullstellung unter einer Druckspannung.

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Wenn ein den Druckbereich überschreitender positiver bzw. überdruck die Außenseite des Balgens 54 beaufschlagt, wird dieser weiter zusammengedrückt, während die Feder 56 unbeeinflußt bleibt. Die Zusammendrückung des Balgens 54 führt zu einer Abwärtsbewegung der Balgenplatte 60, so daß diese von der Platte 80 abhebt.

Im umgekehrten Fall wird der Balgen 54 an seiner Innenseite über den Durchgang 78 mit einem den Druckbereich überschreitenden positiven Druck beaufschlagt. Dies führt zu einer Ausdehnung des Balgens, d.h. zu einer Entlastung seiner Druckvorbelastung und gleichzeitig zu einer Erhöhung der Zugspannung in der Feder 56, da die Platte 80 vom Anschlag 82 hinweg nach oben gedrängt wird.

In Fig. 10 ist noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung dargestellt, bei welcher sowohl die Feder als auch der Balgen in der Nullstellung unter einer Zugspannung stehen. Der Balgen 54 ist dabei an der bereits erwähnten Basis 58 und an der Platte 60 befestigt. Die Stange 62 ist ihrerseits an der Platte 60 befestigt, wobei der Schraubenkopf 70 an der bewegbaren Hülse 68 anliegt. Die Feder 56 1st durch Schweißen oder auf andere Weise an der Hülse 68 und an einem Basis- bzw. "Masseelement" 84 befestigt. Gemäß Fig. 10 wird die Abwärtsbewegung der Hülse 68 durch einen Anschlag 86 begrenzt.

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Wenn ein den Druckbereich übersteigender positiver bzw. überdruck die Außenseite des Balgens 54 beaufschlagt, wird die vorbelastende Zugspannung im Balgen 54 aufgehoben, während die vorbelastende Zugspannung in der Feder 56 durch die Äufwärtsbewegung der Stange 62 vergrössert wird, während der Schraubenkopf 70 an der Hülse anliegt. Wenn über den Durchgang 78 ein entgegengesetzter Bereichsüberschreitungsdruck auf die Innenfläche des Balgens 54 einwirkt, dehnt sich dieser aus, wobei er die Stange 62 und den Schraubenkopf 70 in Abwärtsrichtung verlagert, wobei sich die Zugspannung im Balgen 54 erhöht. Unter diesen Druckbedingungen bleibt die vorbelastende Zugspannung der Feder 56 unbeeinflußt.

Selbstverständlich sind dem Fachmann noch weitere Änderungen und Abwandlungen der vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.

Zusammenfassend werden mit der Erfindung somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schütze des Wandlers eines mit Flüssigkeit gefüllten Differentialbzw. Wirkdruckgebers, der Trennmembranen mit begrenztem Ausschlag aufweist, vor der Einwirkung von den Druckbereich überschreitenden Drücken geschaffen. Ein in zwei Richtungen wirkender Überdruckschutz wird durch einen einzigen, vorgespannten Balgen gewährleistet, der durch eine vorbelastete Anschlageinrichtung, vorzugsweise mit einer vorgespannten mechanischen Feder, begrenzt wird. Der Balgen bleibt unbeweglich, wenn der Wirkdruckgeber mit einem normalen Betriebswirkdruck

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beaufschlagt wird. Bei Einwirkung eines vom vorgesehenen Druckbereich abweichenden Drucks dehnt sich der Balgen aus oder zieht sich zusammen, so daß er die von einer der Trennmembranen verdrängte Flüssigkeit aufnimmt und dadurch den Wandler vor dem vom Druckbereich abweichenden Druck schützt. Nach Beendigung des liberdruckzustands stellt sich die Schutzvorrichtung selbsttätig zurück.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hlnzel Patentanwälte

The Foxboro Company SSffiSSSL

Foxboro, Mass., V.St.A. Tel,089/982085-87

Telex: 0529802 hnkld

Telegramme: ellipsoid

2 2. März 1979

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Patentansprüche

/ 1J Überdruckschutzvorrichtung für einen Wirkdruckgeber ^—^ bzw. -Übertrager mit einem Wandler zur Lieferung eines elektrischen AusgangsSignaIs als Punktion des über den Wandler anliegenden Druckunterschieds, bestehend aus einem Gehäuse mit einer zentralen Ausnehmung mit Einlaßmitteln zur Anlegung eines ersten und eines zweiten Drucksignals an den Wandler und einem in zwei Richtungen auslenkbaren, in der zentralen Ausnehmung des Gehäuses angeordneten und zwischen die beiden Drucksignale eingeschalteten, vorbelasteten Balgen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der zentralen Ausnehmung des Gehäuses eine in einer Richtung auslenkbare, vorgespannte Anschlageinrichtung (56, 60, 62, 68, 72) angeordnet ist, die unter einer größeren Vorspannung steht als der vorbelastete Balgen (54) und die letzterem gegenüber so montiert ist, daß die Vorbelastungskräfte beider Elemente in entgegengesetzte Richtungen wirken und eine Gleichgewichtsstellung für Balgen (54) und Anschlageinrichtung über einen vorbestimmten Bereich von Differential- bzw. Wirkdrücken zwischen erstem und zweitem Drucksignal hinweg einstellen,

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daß der auslenkbare Balgen (54) und die Anschlageinrichtung (56, 60, 62, 68, 72) bei einem ersten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand gemeinsam auslenkbar sind, während bei einem zweiten und entgegengesetzten Bereichsüberschreitungs-Drückzustand nur der Balgen (54) auslenkbar ist, und daß eine Einrichtung (16, 26, 28, 20, 30, 18, 32, 34, 36) vorgesehen ist, welche den Wirkdruck zwischen erstem und zweitem Drucksignal an einer Überschreitung einer vorbestimmten Wirkdruckgröße hindert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Balgen als auch die Anschlageinrichtung unter einer Druckvorspannung stehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung eine unter einer Druckvorspannung stehende Feder aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß sowohl der Balgen als auch die Anschlageinrichtung mit einer Zugspannung vorbelastet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung eine unter einer Zugvorspannung stehende Feder aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balgen mit einer Druckspannung vorbelastet ist und daß die Anschlageinrichtung mit einer Zugspannung vorgespannt ist.

Φ .
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung eine unter einer Zugvorspannung stehende Feder aufweist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balgen mit einer Druckspannung vorbelastet ist und daß die Anschlageinrichtung unter einer Druckvorspannung steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung eine unter einer Druckvorspannung stehende Feder aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der auslenkbare Balgen und die Anschlageinrichtung bei einem ersten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand in einer ersten Richtung und bei einem zweiten und entgegengesetzten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung bewegen -
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die auslenkbare Anschlageinrichtung eine vorgespannte Feder aufweist, die zumindest mit einem Abschnitt im auslenkbaren Balgen angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung eine vorgespannte Feder aufweist, die zumindest mit einem Abschnitt außerhalb des Balgens koaxial zu diesem angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt der Feder den Balgen umgibt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt der Feder in Axialrichtung auf Abstand vom Balgen angeordnet ist.

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^m. A mm
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verhinderung der Überschreitung einer vorbestimmten Größe durch den Differential- bzw. Wirkdruck zwischen erstem und zweitem Drucksignal zwei Trennmembranen, eine für die Trennmembranen vorgesehene Stütz- oder Tragplatte, die zusammen mit der betreffenden Trennmembran eine erste und eine zweite Strömungsmittelkammer festlegt, je eine Strömungsmittelfüllung in jeder Strömungsmittelkammer und Mittel zur Ankopplung der Strömungsmittelfüllung in erster und zweiter Kammer an die Außenseite bzw. an die Innenseite des vorbelasteten Balgens aufweist.
16. Verfahren unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15 zum Schütze eines Differentialbzw. Wirkdruckgebers vor einen bestimmten Druckbereich überschreitenden Drücken, wobei der Wirkdruckgeber zwei Trennmembranen sowie zwei zugeordnete Stütz- oder Tragplatten (flächen) , die zusammen mit den Trennmembranen Strömungsmittelkammern festlegen, eine Strömungsmittelfüllung in jeder Kammer und einem strömungsmäßig zwischen die Kammern in Reihe geschalteten Wandler zur Lieferung eines elektrischen Ausgangssignals aufweist, das eine Funktion des Druckunterschieds über den Wandler darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem ersten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand zumindest ein Teil der Strömungsmittelfüllung aus der ersten Kammer in eine Ausnehmung verdrängt wird, die einen in zwei Richtungen auslenkbaren, vorbelasteten, strömungsmäßig mit dem Wandler parallelgeschalteten und zwischen die Kammern in Reihe geschalteten Balgen sowie eine in einer Richtung auslenkbare, vorgespannte Anschlageinrichtung enthält, die mit einer größeren Vorspannung beaufschlagt ist als der vorbelastete Balgen und die gegenüber dem Balgen so angeordnet

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ist, daß die Vorbelastungs- bzw. Vorspannkräfte beider
Elemente in entgegengesetzte Richtungen wirken und eine Gleichgewichtsstellung für beide über einen vorbestimmten Bereich von Differential- bzw. Wirkdrücken zwischen erstem und zweitem Drucksignal an erster bzw. zweiter
Trennmembran einstellen, daß die verdrängte Strömungsmittelfüllung die Außenseite des Balgens beaufschlagt
und eine Auslenkung desselben bewirkt, ohne eine Auslenkung der vorgespannten Anschlageinrichtung herbeizuführen, und daß bei einem zweiten und entgegengesetzten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand zumindest ein
Teil der Strömungsmittelfüllung aus der zweiten Kammer
in das Innere des Balgens verdrängt wird, um eine Auslenkung des Balgens und der Anschlageinrichtung herbeizuführen.
17. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1

bis 15, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer zentralen Ausnehmung, durch zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses montierte und mit diesem Strömungsmittelkammern bildende Trennmembranen, die mit einem ersten bzw. einem zweiten Drucksignal beaufschlagbar sind, durch Strömungsmitteldurchgänge zur Verbindung der Kammern mit der Ausnehmung, durch ein praktisch inkompressibles
Strömungsmittel, welches die Ausnehmung und die Kammern über die Durchgänge füllt und zur übertragung der beiden Drucksignale zur Ausnehmung dient, durch einen in der
Ausnehmung angeordneten und zwischen die beiden übertragenen Drucksignale eingeschalteten, in zwei Richtungen auslenkbaren, vorbelasteten Balgen und durch eine in der Ausnehmung angeordnete, in einer Richtung auslenkbare, vorgespannte Anschlageinrichtung mit einer größeren Vorspannung als derjenigen des Balgens, die gegenüber dem BaI-

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gen so montiert ist, daß die Vorbelastungs- bzw. Vorspannkräfte beider Elemente in entgegengesetzte Richtungen wirken und für beide eine Gleichgewichtsstellung über einen vorbestimmten Bereich von Differentialbzw. Wirkdrücken zwischen den beiden Drucksignalen einstellen, wobei bei einem ersten Bereichsüberschreitungs-Druckzustand sowohl der Balgen als auch die Anschlageinrichtung auslenkbar sind, während bei einem zweiten,entgegengesetzten derartigen Druckzustand nur der Balgen auslenkbar ist, wobei sich die Trennmembranen an das Gehäuse anlegen, wenn der genannte Druckzustand vorbestimmte Grenzwerte übersteigt, und dabei die beiden übertragenen Drucksignale auf einen für den Wandler unschädlichen Wirkdruckpegel begrenzen.

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