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Druckmeßgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät mit den Merkmalen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein bekanntes Druckmeßgerät dieser Art, mit dem sich in einfacher
Weise ein Druck in eine elektrische Größe zur Anzeige oder Verarbeitung in einer
Steuereinrichtung umsetzen läßt, ist in Fig. 1 dargestellt. Das bekannte Druckmeßgerät
weist einen äußeren Zylinder 1 auf, in dessem Innern eine isolierende Scheibe 2
angeordnet ist. Diese Scheibe 2 ist an ihren beiden Oberflächen 3a und 3b konkav
gewölbt ausgebildet. Elektroden 4a und 4b aus Metallfolie sind auf die Oberflächen
3a und 3b aufgebracht. Zuführungsleitungen 5a und 5b sind an die betreffenden Elektroden
4a und 4b angeschlossen und durch die isolierende Scheibe 2 und eine mit einem isolierenden
Teil 6 versehene Offnung in der Wand des äußeren Zylinders 1 geführt sowie am Boden
des Druckmeßgerätes herausgeführt. Die isolierende Scheibe 2 ist mit einem durchgenden
Loch 7 versehen, welches in axialer Richtung von der Oberfläche 3a zur Oberfläche
3b führt. Eine Meßmembran Sa und eine weitere Meßmembran 8b sind an die beiden Seiten
des äußeren Zylinders 1 flüssigkeitsundurchlässig angeschweißt.
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Eine Isolierflüssigkeit (z. B. Silikonöl) ist in einen Innenraum eingefüllt,
der durch den äußeren Zylinder 1, die Meßmembran 8a und die weitere Meßmembran 8b
begrenzt wird. Die Isolierflüssigkeit dient einer elektrischen Isolation zwischen
den Elektroden 4a und 4b und den Meßmembranen 8a und 8b sowie einer Ubertragung
des
Drucks zwischen den inneren Oberflächen der Meßmembranen 8a und 8b. Die Elektroden
4a und 4b liegen den Meßmembranen 8a und'8b derart gegenUber, daß sie mit ihnen
Kondensatoren bilden, zwischen denen sich die Isolierflüssigkeit befindet. Außenplatten
11a und 11b, die Membranhalter darstellen, sind auf die entsprechenden Außenseiten
der Meßmembranen 8a und 8b aufgebracht. Die Außenplatte 11a ist mit einer Ausnehmung
9a und einem durcngehenden Loch 10 versehen.
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Die andere Außenplatte 11b ist mit einer Ausnehmung 9b versehen. Beide
Außenplatten 11a und lib sind mittels Schrauben 12 und Muttern 13 zusammengeschraubt.
Die Ausnehmung 9b ist durch die Meßmembran 8b abgeschlossen und bildet einen weiteren
Innenraum, der auf einem Referenzdruck gehalten ist. Ein zu messender Druck liegt
durch das durchgehende Loch 10 im Inneren des Druckmeßgerätes an, wobei ein Unterschied
zwischen diesen beiden Drücken eine Auslenkung ins Innere des Druckmeßgerätes derJenigen
Meßmembran verursacht, welche dem niedrigen Druck ausgesetzt ist und ehe Auslenkung
nach außen bei der Meßmembran, welche dem höheren Druck ausgesetzt ist. Die Auslenkungen
bewirken eine Veränderung der Kapazität zwischen den MeB-membranen und denElektroden
4a und 4b, so daß eine Anzeige des zu messenen Drucks-ermöglicht ist.
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Das beschriebene DruckmeBgerät ist insofern nachteilig, als, wenn
die Umgebungstemperatur ansteigt, die Isolierflüssigkeit expandiert, woraufhin die
Membranen 8a und 8b nach außen verstellt werden, was zu einer Änderung der Kapazitäten
zwischen den Membranen 8a und 8b sowie den Elektroden 4a und 4b und damit zu einem
Fehler bei der Druckmessung führt. Wenn andererseits die Umgebungstemperatur nennenswert
absinkt, zieht sich die Isolierflüssigkeit zusammen, die Membranen können Jedoch
dieser Zusammenziehung nicht folgen, wodurch ein
Torricelli-Vakuum
in der Isolierflüssigkeit entsteht, die dann die Drücke nicht genau Ubertragen kann,
was wiederum zu Meßfehlern führt.
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Im allgemeinen ist der äußere Zylinder 1 eus Stahl und die Membranen
8a und 8b aus einem Material hoher Elastizität hergestellt, so daß sie einen unterschiedlichen
Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Demzufolge ist die Temperaturausdehnung und Zusammenziehung in radialer
Richtung der Membranen 8a und 8b und an den Stirnflächen des äußeren Zylinders 1
unterschiedlich, wodurch Änderungen in den Kräften entstehen, die radial auf die
Membranen einwirken, was Meßfehler zur Folge hat.
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Es ist deshalb das in Fig. 2 dargestellte MeßgerSt vorgeschlagen worden,
das die oben aufgeführten Schwierigkeiten nicht macht. Bei dem Druckmeßgerät nach
Fig. 2, in der mit dem Gerät nach Fig. 1 übereinstimmende Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind, hat die isolierende Scheibe 2 ein durchgehendes Loch 7 und Oberflächen
3a und 3b, di4tonkav gewölbt ausgebildet sind; auf den Oberflächen 3a und 3b sind
Elektroden 4a und 4b aufgebracht. Die Membran 8b ist der Elektrode 4b gegenüberliegend
angeordnet und an einem Membranträger 20 gehalten, der einen größeren Durchmesser
als die Membran 8b besitzt. Die Membran 8b kann einen integralen Bestandteil des
Membranträgers 20 bilden. Sie kann aber auch aus einem Material mit im wesentlichen
demselben Temperaturausdehnungskoeffizienten hergestellt und mit dem Membranträger
verschweißt sein. Die Membran 8b und
der Membranträger 20 bilden
zusammen einen weiteren Innenraum 21, in dem der Referenzdruck herrscht.
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Ein äußerer Zylinder 1 umgibt die isolierende Scheibe 2 und bildet
ein zusammenhängendes Teil mit einer Referenzelektrode 22, die der Elektrode 4a
gegenüberliegt.
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Der äußere Zylinder 1 und die Referenzelektrode 22 können auch aus
verschiedenen Teilen mit im wesentlichen gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten
bestehen und miteinander durch Schweißen verbunden sein. Der äußere Zylinder 1 und
der Membranträger 20 können aus demselben Material oder mm Materialien mit im wesentlichen
gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen und miteinander verschweißt
sein. Die Referenzelektrode 22 ist auf ihre von der Elektrode 4a abgewandten Seite
in der Oberfläche wellenförmig ausgestaltet; dieser Seite liegt eine Trennmembran
23 gegenüber, die eine entsprechend gestaltete Oberfläche aufweist.
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Der Zwischenraum zwischen der Referenzelektrode 22 und der Trennmembran
23 ist über ein Durchgangsloch 24 mit dem Raum zwischen der Elektrode 4a und der
Referenzelektrode 22 verbunden und über das durchgehende Loch 7 auch mit dem Raum
zwischen der Elektrode 4b und der Membran 8b verbunden; alle diese Räume sind mit
einer Isolierflüssigkeit gefüllt, die beispielsweise ein Silikonöl oder ein Mineralöl
sein kann. Eine Druckkammer 25, die von der Trennmembran 23 und einer Deckelplatte
26 gebildet ist, steht über eine Bohrung 27 mit der Atmosphäre in Verbindung. Die
isolierende Scheibe 2, der äußere Zylinder 1, die Membran 8b, der Membranträger
20 und die Referenzelektrode 22 sind zusammengefügt und in einem zylindrischen,
topfartigen Behälterteil 28 untergebracht, wobei der Membranträger 20 mit einem
Vorsprung 29 in eine Bohrung im Behälterteil 28 eingreift und dort verschweißt ist.
Das Behälterteil 28 und die
Deckelplatte 26 sind in nicht dargestellter
Weise mittels Schrauben und Bolzen miteinander verbunden. Die Trennmembran 23 ist
das mehrere 10- oder 100fache flexibler als die Membran 8b, so daß sie frei dem
zu messenden Druck in der Kammer 25 nachgeben kann und den Druck auf die Isolierflüssigkeit
überträgt. Die Membran 8b ist entsprechend der Druckdifferenz zwischen der Isolierflüssigkeit
und dem Referenzdruck in dem weiteren Innenraum 21 verstellt, was zu einer Änderung
der Kapazität zwischen der Membran 8b und der Elektrode 4b führt. Diese Kapazitätsänderung
und die gleichbleibende Kapazität zwischen der Referenzelektrode 22 und der Elektrode
4a werden über Leitungen 30, 31 und 32 miteinander verglichen, die an die Elektroden
4a und 4b sowie an das Behälterteil 28 geführt sind, um ein Ausgangssignal entsprechend
der Differenz aus dem zu messenden Druck und dem Referenzdruck zu erzeugen.
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Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2 ist die Trennmembran 23 ausreichend
flexibel und kann daher der Ausdehnung und der Zusammenziehung der Isolierflüssigkeit
bei Temperaturänderung folgen, so daß die Membran 8b nicht deformiert wird und kein
Torricelli-Vakuum entsteht.
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Da der äußere Zylinder 1, der Membranträger 20, die Membran 8b und
die Referenzelektrode 22 aus einem Werkstoff mit demselben oder im wesentlichen
gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen, werden sie keinen inneren
Beanspruchungen bei Temperaturänderungen unterworfen, und die Membran 8b bleibt
frei von Kräften, die auf sie in radialer Richtung einwirken.
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Der weitere Innenraum 9b nach Fig. 1 bzw. 21 nach Fig. 2 steht normalerweise
unter Vakuum. Die Bestandteile sind im Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen zusammengefügt.
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Es kann aber auch der weitere Innenraum 21 mit einem Entlüftungsrohr
versehen sein, über das die Luft abgezogen wird, bis darin ein Vakuum sich entwickelt
hat; daraufhin wird das Entlüftungsrohr verschlossen.
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Bei dem Druckmeßgerät nach Fig. 2 ist das Entlüftungsrohr vorzugsweise
an dem Vorsprung 29 des Membranträgers 20 angebracht.
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Bei Druckmeßgeräten dieser Art neigt die Isolierflüssigkeit jedoch
dazu, sich bei Temperaturänderungen zusammenzuziehen oder auszudehnen. Beispielsweise
ändert Silikonöl sein Volumen um 1 % je iOOC. Daher verursachen Temperaturänderungen
Druckänderungen in der Isolierflüssigkeit, was zu Meßfehlern führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckmeßgerät
vorzuschlagen, das auch bei Temperaturänderungen weitgehend fehlerfrei arbeitet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Druckmeßgerät der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ausgebildet.
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Eine Druckänderung tPt in Abhängigkeit von einem Ansteigen der Temperatur
des Druckmeßgerätes von to 0C um.t0C kann nämlich durch folgende Beziehung (1) ausgedrückt
werden: Pt = V oL db t . (1) In dieser Gleichung bedeutet das Verhältnis der Änderung
von Membrandruck und Volumen in mbar/cm3, V das Volumen der Isolierflüssigkeit in
cm3 und #den Temperaturausdehnungskoeffizienten der Isolierflüssigkeit. Der Referenzdruck
Ps ist dem absoluten Druck proportional. Demgemäß kann eine Druckänderung
bPs
im weiteren Innenraum bei einem Temperaturanstieg um tOC durch folgende Gleichung
(2) ausgedrückt werden:
Die Druckänderungen @ Ps und aPt in Abhängigkeit von Temperaturänderungen um t°C
verladen in derselben Richtung. Wenn die Druckänderungen » Ps und #Pt gleich sind,
werden Änderungen des Druckes in der Isolierflüssigkeit und im Referenzdruck gleich,
und das Druckmeßgerät arbeitet frei von Fehlern infolge Temperaturänderungen. Um
dies zu erreichen, ist gemäß der Erfindung die Meßmembran so ausgebildet, daß sie
folgender Beziehung (3) genügt: = Ps # = v . α . (273 + to) (3) Wird Helium
oder Kohendioxid, das zum Auffinden von Leckstellen-benutzt wird, als Gas zur Erzeugung
des Referenzdruckes in dem weiteren Innenraum benutzt, dann kann der weitere Innenraum
mit dem Referenzdruck einfach auf seine Gasdichtigkeit überprüft werden, was zu
einer höheren Zuverlässigkeit des Druckmeßgerätes führt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Druckmeßgerät ist die Druck-Volumen-Charakteristik
der Membran so eingestellt, daß Druckänderungen-in der Isolierflüssigkeit und des
Referenzdruckes infolge Temperaturänderungen gleich- sind, wodurch das Temperaturverhalten
und die Zuverlässigkeit des Druckmeßgerätes verbessert ist.