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Dokumentenidentifikation DE3229721C2 23.02.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines Druckes
Anmelder Pfister GmbH, 8900 Augsburg, DE
Erfinder Häfner, Hans W., 8890 Aichach, DE
Vertreter Kahler, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8948 Mindelheim
DE-Anmeldedatum 10.08.1982
DE-Aktenzeichen 3229721
Offenlegungstag 16.02.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1989
IPC-Hauptklasse G01L 7/16
IPC-Nebenklasse G01L 19/06   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Messen eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolben, der mit einer Lastmeßeinrichtung in Verbindung steht, wobei der Kolben im Zylinder mittels hydrostatischer oder pneumostatischer Schmierung durch ein unter Druck zugeführtes Trennfluid berührungslos geführt ist (nach Patent Nr. . . . Anmeldung-Nr. P 3143919.5), wird als zusätzliche Verbesserung vorschlagen, daß Fluid und Trennfluid berührungslos miteinander in Wirkverbindung stehen. Dabei erfolgt die Wirkverbindung über ein nachgiebiges Trennglied. Zweckmäßig wird der Druck des Trennfluids dem Druck des Fluids so nachgeregelt, daß am Trennglied Gleichgewicht der Kräfte herrscht. Eine entsprechende Vorrichtung umfaßt eine Trennkammer mit einem darin angeordneten nachgiebigen Trennglied, dessen eine Seite mit einer Zuführung für das zu messende Fluid, und dessen andere Seite mit einer Zuführung für das Trennfluid in Verbindung steht, sowie eine Einrichtung zur Regelung des Trennfluid-Druckes in der Weise, daß einer Änderung der Stellung des Trenngliedes durch Änderung des Druckes im Trennfluid entgegengewirkt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Messen eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolben, der mit einer Lastmeßeinrichtung in Verbindung steht, wobei der Kolben im Zylinder mittels hydrostatischer oder pneumostatischer Schmierung durch ein unter Druck zugeführtes Trennfluid berührungslos geführt ist nach Patent . . . 31 43 919.

Beim Messen eines Fluid-Druckes insbesondere brennbarer oder aggressiver Flüssigkeiten wird aus Sicherheitsgründen von Seiten der Aufsichtsbehörden zwingend vorgeschrieben, daß eine hermetische Trennung zwischen dem zu messenden Fluid und dem im System der Meßvorrichtung und in der Zuführungsleitung enthaltenen Trennfluid zu erfolgen hat.

Aus der DE-OS 27 22 127 ist ein Druckmeßgerät zur kontinuierlichen Drucküberwachung bekannt, das zur Vermeidung der Beaufschlagung des Meßfühlers mit dem Meßmedium und ggf. Festfrierens eine Abdichtung des Meßfühlers vom Meßmedium mittels einem mit nicht gefrierender Flüssigkeit gefüllten Faltenbalg vorsieht. Die je nach Belastung unterschiedliche Federkraft bzw. Linearitätsfehler in der Federkonstanten des Faltenbalges und/oder Meßfühlers verfälschen jedoch das Meßergebnis.

Die DE-OS 28 16 186 zeigt eine Meßsonde für isovolumetrische Druckmeßgeräte, insbesondere medizinische Geräte, die eine isovolumetrisch geregelte, über eine nachgiebige Membrane abgeschlossene Druckkammer aufweisen, an die ein Druckaufnehmer angeschlossen ist. Hierbei ist das Druckvolumen in der volumengeregelten Druckkammer von einer der Meßsonde zugeordneten Druckkammer zur Erzielung eines erhöhten Infektionsschutzes getrennt. Auch hier ist eine Verfälschung des Meßergebnisses durch die Nichtlinearitäten der nachgiebigen Membran und/oder des Druckaufnehmers nicht ausgeschlossen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Erhöhung der Sicherheit und insbesondere zur Erfüllung der amtlichen Auflagen eine hermetische Trennung zwischen dem zu messenden Fluid und dem Trennfluid im System der Meßvorrichtung herbeizuführen, ohne daß hierdurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zum Messen eines Druckes der eingangs genannten Art dadurch, daß Fluid und Trennfluid berührungslos miteinander in Wirkverbindung stehen.

Hierdurch wird sehr vorteilhaft eine hermetische Trennung zwischen Fluid und Trennfluid erreicht, ohne daß die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Mit einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Wirkverbindung über ein nachgiebiges Trennglied erfolgt.

Für eine exakte Funktion ist hierbei wesentlich und von Vorteil, daß der Druck des Trennfluids dem Druck des Fluids so angepaßt wird, daß am Trennglied Kräftegleichgewicht herrscht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine Trennkammer mit einem darin angeordneten nachgiebigen Trennglied, dessen eine Seite mit einer Zuführung für das zu messenden Fluid, und dessen andere Seite mit einer Zuführung für das Trennfluid in Verbindung steht, und welches bei Kräftegleichgewicht in der Neutralstellung gehalten wird, zu deren Überwachung eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, die mit einer Einrichtung zur Regelung des Sperrfluid-Druckes in der Meßleitung in der Weise in Wirkungsverbindung steht, daß sie einer Änderung der Stellung des Trenngliedes durch Änderung des Druckes des Sperrfluids entgegenwirkt.

Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 8 vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Funktionsschema einer Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids, mit Meßkolben und Trennfluid-System, Trennkammer und Regeleinrichtung, im Blockschaltbild;

Fig. 2 eine Trennkammer mit darin angeordnetem Membranbalg und Wegaufnehmer, im Schnitt;

Fig. 3 eine Anordnung mehrerer zu einer Batterie zusammengeschlossener Trennkammern mit einer Gruppe von Schaltorganen, im Blockschaltbild sowie teilweise im Schnitt.

In der Darstellung nach Fig. 1 lagert im Tank 1 eine Flüssigkeit 1&min;, beispielsweise ein Leichtöl, dessen hydrostatischer Druck P1 gemessen werden soll. Dieser wirkt über die Fluid-Leitung 18 auf den Metallbalg 2, der in der Trennkammer 5 angeordnet ist, und zwar in der Weise, daß er mit seinem oberen offenen Ende 20 an dem Deckel 5&min; der Trennkammer 5 befestigt ist, wobei sein Inneres über die Fluidleitung 18 mit der Flüssigkeit 1&min; im Tank 1 in unmittelbarer Verbindung steht. Damit wirkt der hydrostatische Fluid-Druck P1 der im Tank 1 lagernden Flüssigkeit 1&min; auf die Innenseite des dehnbaren Metallbalges 2 und belastet dessen Innenquerschnitt durch den Fluid-Druck P1 mit einer Kraft K1. Die Trennkammer 5, in welche das frei dehnbare Ende des Metallbalges 2 hineinragt, ist über die Meßleitung 7 mit dem Meßkolben 9 verbunden und mit Trennflüssigkeit gefüllt. Hierdurch wird der hydrostatische Druck P1 der im Tank 1 lagernden Flüssigkeit 1&min; über den dehnbaren Metallbalg 2 durch den Druck P2 der Trennflüssigkeit über die Zuführung 7 auf den Meßkolben 9 übertragen, ohne daß Flüssigkeit 1&min; und Trennflüssigkeit beziehungsweise Fluid 1&min; und Trennfluid sich berühren.

Die Funktionsweise ist dabei folgende:

Der Druck P2 des Trennfluids beziehungsweise der Trennflüssigkeit in der Trennkammer 5 wird unmittelbar auf die frei dehnbare Unterseite des Metallbalges 2 übertragen. Er erzeugt auf der Fläche des Außenquerschnitts eine Kraft K2. Der Metallbalg 2 befindet sich in seiner Neutrallage im Kräftegleichgewicht, das heißt sobald K1 gleich K2 ist.

Das System der Trennflüssigkeit ist mit einer Hydraulikpumpe 17 ausgestattet, welche einen Druck zwischen Meßkolben 9 und Zylinder 8 aufbaut, so daß die reibungsfreie hydrostatische Trennung und Abdichtung zwischen Meßkolben 9 und Zylinder 8 sichergestellt ist. Der Meßkolben 9 stützt sich auf der Wägezelle 10 ab, die mit der Auswägeelektronik 10&min; durch die Signalleitung 10&min;&min; verbunden ist. Unter Berücksichtigung der wirksamen Flächen von Meßkolben 9 und Tank 1 sowie einer Eichkennlinie zur Fehlerkorrektur wird an der Auswägelektronik 10&min; die im Tank 1 befindliche Masse der eingelagerten Flüssigkeit 1&min; angezeigt, und insbesondere ein Massendifferenz beim Ein- und Auslagern mit höchster Genauigkeit.

Zur Vermeidung von Meßfehlern, die aus der Federkennlinie des Metallbalges 2 resultieren könnten, wird mit Hilfe des Wegaufnehmers 4, des Motorventiles 12 und des Reglers 14 die Höhenlage des Abschlußdeckels 2&min; des dehnbaren Metallbalges 2 auf konstantem Niveau gehalten. Der Wegaufnehmer 4 ist als Differentialtrafo ausgebildet, der bei mechanischer Auslenkung aus der Neutralstellung ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses stellungsproportionale Signal wird über die Signalleitung 14&min; dem Regler 14 aufgeschaltet, welcher das Steuersignal in einen Stellimpuls umwandelt, der als Regelbefehl durch die Steuerleitung 14&min;&min; auf das Motorventil 12übertragen wird und dieses verstellt. Durch die Verstellung des Motorventiles 12 wird die Rücklaufleitung 19 mehr oder weniger geöffnet, wodurch in der Zuführung 7 der Druck P2 des als Meßfluid wirkenden Trennfluid-Überlaufes beeinflußt wird, und zwar in dem Sinne, daß das Verhältnis K1/K2 = constans = 1 stets beibehalten wird, unbeschadet eines sich ändernden Flüssigkeitsdruckes P1 auf der Seite des Tanks 1.

Der Förderdruck der Hydraulikpumpe 17 bewirkt, daß im Spalt zwischen Meßkolben 9 und Zylinder 8 Trennflüssigkeit nach oben austritt. Durch den Regelkreis, der den Differentialtrafo 4, das Motorventil 12 und den Regler 14 umfaßt, wird die Menge der Trennflüssigkeit, die durch den oberen Spalt des Meßkolbens 9 und des Zylinders 8 entweicht und der Zuführung 7 als Meßflüssigkeit zugeführt wird, durch Rücklaufregelung feinfühlig eingestellt, wodurch der Druck P2 geregelt und somit erreicht wird, daß die Höhenlage der Abschlußplatte 2&min; am Metallbalg 2 konstant in der Neutralstellung steht.

Durch Schließen des Hauptventiles 11 kann mit Hilfe des Überlaufgefäßes 15 die Nullpunktseinstellung der Tankwägeeinrichtung exakt überprüft und/oder justiert werden.

Zur Erhöhung der Sicherheit ist der Behälter 16 der Trennflüssigkeit mit einem Schwimmerschalter 18 ausgerüstet. Bei einem unzulässigen Anstieg der Trennflüssigkeit im Tank 16 wird über den Schwimmerschalter 18 das Hauptventil 11 und das Durchlaufventil 13 geschlossen, so daß das System zusätzlich zum Metallbalg 2 zum Tank 1 hin völlig sicher abgeschottet ist.

Zur Entlüftung der Trennkammer 5 dient das Entlüftungsventil 6. Das Rücklaufventil 13 wird beim Abschalten der Tankwägeeinrichtung geschlossen, so daß das Motorventil 12 in der eingeregelten Stellung stehen bleiben kann.

Fig. 2 zeigt die Trennkammer 5, in deren Innern der Metallbalg 2 mit seinem oben offenen Ende 20 mit dem Deckel 5&min; der Trennkammer 5 verbunden ist. Sein Inneres steht über die Fluidleitung 18 mit der Flüssigkeit 1&min; im Tank 1 in unmittelbarer Verbindung. Der Metallbalg 2 ist an seinem unteren freien Ende durch die Abschlußplatte 2&min; mit radialem Überstand verschlossen. Der radiale Überstand dieser Abschlußplatte 2&min; dient zur Wegbegrenzung zwischen den Sicherheits-Anschlägen 3 und 3&min;. An der Abschlußplatte 2&min; ist der Induktionskern 4&min; des als Wegaufnehmer angeordneten Differentialtrafos 4 befestigt. Dessen Spulensystem 4&min;&min;, welches in bekannter Weise aus drei Wicklungen besteht, ist an der Bodenplatte 5&min;&min; der Trennkammer 5 befestigt. Vom Spulensystem 4&min;&min; führt die Signalleitung 14&min;, zumindest streckenweise im Innern der Meßleitung 7 verlegt, zum Regler 14. Am Deckel 5&min; der Trennkammer 5 ist ein Entlüftungsventil 6 angeordnet.

Die Funktion von Trennkammer 5 und dehnbarem Metallbalg 2 ist folgende:

Vorausgesetzt, an der Abschlußplatte 2&min; herrscht Kräfte- Gleichgewicht zwischen einer innen auf die Abschlußplatte 2&min; von oben nach unten wirkenden Kraft K1 und einer entsprechend von unten nach oben auf der Außenseite der Abschlußplatte 2&min; wirkenden Kraft K2, nach der Gleichung

K = K2, beziehungsweise

K1/K2 = 1 = constans.

Die Kraft K1 ist das Produkt aus der inneren Fläche F1 des Metallbalges 2 und dem Fluid-Druck P1 der Tankflüssigkeit 1&min;, die Kraft K2 ist das Produkt aus der äußeren Fläche F2 des Metallbalges und dem Fluid-Druck P2 der in der Zuführung 7 anstehenden Trennflüssigkeit. Bei der Annahme, daß das Gewicht des beweglichen aufgehängten Metallbalges 2 durch dessen Federkennlinie in der Neutralstellung kompensiert sei, und weiter unter der Annahme F1 = F2, ist P1 = P2.

Dabei stehen folglich Fluid und Trennfluid, durch den als Trennglied angeordneten Metallbalg 2 hermetisch voneinander getrennt, in optimaler Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit berührungslos miteinander in Wirkverbindung.

Damit nun eine Änderung von P1 keine Dekompensation des Gleichgewichtes K1/K2 = 1 über eine Längung oder Kürzung des mit einer Federkennlinie dehnbaren Metallbalges 2 verursachen kann, muß die exakte Einhaltung der Neutralstellung als Voraussetzung einer fehlerfreien Meßfunktion gewährleitet sein. Dies ist nach der Erfindung durch die Regelanordnung 4, 12, 14, 14&min;, 14&min;&min; sichergestellt, indem durch eine äußerst feinfühlige Stellungs/Druckausgleichs- Regelung im Zusammenwirken mit einer äußerst flachen Federkennlinie des Metallbalges 2 dessen Neutralstellung im Meßbereich minutiös exakt eingehalten wird.

Fig. 3 zeigt eine Mehrfachanordnung von Trennkammern 5, 5&min;, 5&min;&min;, 50, 50&min; in Form einer Batterie 21.

Die Trennkammern 5, 5&min;, 5&min;&min;, 50 und 50&min; sind an ihrer Oberseite je einzeln an die Fluid-Leitungen 18, 18&min;, 18&min;&min;, 180 und 180&min;&min; angeschlossen. Diese Fluidleitungen münden, wie vorgängig dargelegt, im Innern der zugehörigen Metallbälge 2. Das Innere je einer der Trennkammern 5, 5&min;, 5&min;&min;, 50 und 50&min; steht abwechselnd über eine Gruppe von Schaltorganen 21, 21&min;, 21&min;&min;, 210 und 210&min; mit der Meßleitung 7 in Verbindung. Diese beispielhaft gezeigte Anordnung dient zum Abfragen von Drücken P1 aus beispielsweise fünf unterschiedlichen Tanks. Wenn zum Beispiel der Flüssigkeitsdruck P1 im Innern des zur Fluidleitung 18 gehörenden Tanks abgefragt werden soll, wird das Schaltorgan 21 geöffnet, währnd die Schaltorgane 21&min;, 21&min;&min;, 210 und 210&min; geschlossen bleiben. Dabei wirkt die Flüssigkeitssäule in dem an die Meßeinrichtung angeschlossenen Tank über die Trennkammer 5 in der vorgängig dargelegten Funktionsweise auf die Meß- und Trennflüssigkeit in der Zuführung 7 und wird in der Meßeinrichtung entsprechend angezeigt. Zum Messen eines zu einer anderen Fluidleitung 18&min; gehörenden Tanks wird das Schaltorgan 21 geschlossen und das Schaltorgan 21&min; geöffnet, während alle übrigen Schaltorgane geschlossen bleiben, und so weiter.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist nicht an die Ausführung des Trenngliedes in Form eines Metallbalges gebunden. Anstelle des Metallbalges könnte auch eine feinfühlige, entsprechend kalibrierte Membran in Verbindung mit einem Wegaufnehmer in einer Trennkammer angeordnet sein.

Mit der Erfindung wird die Forderung einer hermetischen Trennung zwischen dem zu messenden Fluid und dem Trennfluid im System der Meßvorrichtung optimal gelöst, ohne daß hierdurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Messen eines Druckes, insbesondere des stationären oder quasi-stationären Druckes eines Fluids mit einem in einem Zylinder geführten, druckbeaufschlagten Meßkolben, der mit einer Lastmeßeinrichtung in Verbindung steht, wobei der Kolben im Zylinder mittels hydrostatischer oder pneumostatischer Schmierung durch ein unter Druck zugeführtes Trennfluid berührungslos geführt ist, nach Patent 31 43 919, dadurch gekennzeichnet, daß Fluid und Trennfluid berührungslos miteinander in Wirkverbindung stehen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkverbindung über ein nachgiebiges Trennglied erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Trennfluids dem Druck des Fluids so nachgeregelt wird, daß am Trennglied Gleichgewicht der Kräfte herrscht.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Trennkammer (5) mit einem darin angeordneten nachgiebigem Trennglied (2), dessen eine Seite (20) mit einer Zuführung (18) für das zu messende Fluid (1&min;), und dessen andere Seite mit einer Zuführung (7) für das Trennfluid in Verbindung steht, wobei das Trennglied (2) bei einem Gleichgewichtszustand der vom Trennfluid und Fluid erzeugten Kräfte eine Neutralstellung einnimmt, zu deren Überwachung eine Anzeigeeinrichtung (4, 4&min;, 4&min;&min;) vorgesehen ist, die mit einer Einrichtung (12, 14) zur Regelung des Trennfluid-Druckes in der Zuführung (7) in der Weise in Wirkungsverbindung steht, daß sie einer Änderung der Stellung des Trenngliedes (2) durch Änderung des Druckes im Trennfluid entgegenwirkt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trennglied ein dehnbarer Metallbalg (2) mit vorzugsweise vertikaler Achse angeordnet ist, von dem ein Ende (20) am Deckel (5&min;) der Trennkammer (5) befestigt ist, wobei das Innere des Metallbalges (2) mit einer Zuführung (18) für das Fluid in Verbindung steht, während sein anderes Ende (2&min;) verschlossen ist und dehnbar in die an die Zuführung (7) für Sperrfluid angeschlossene Trennkammer (5) hineinragt und mit einem elektrischen Wegaufnehmer (4, 4&min;, 4&min;&min;) in Verbindung steht, dessen stellungsproportionales Signal über eine Signalleitung (14&min;) auf einen Regler (14) übertragen wird, welcher den Druck des Tennfluids in der Zuführung (7) nach der Stellung des Metallbalges (2, 2&min;) derart regelt, daß dieser in der Neutralstellung steht.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dehnbare Ende des Metallbalges (2) durch eine Platte (2&min;) mit radialem Überstand verschlossen ist, deren Bewegungen in vertikaler Richtung durch Anschläge (3, 3&min;) begrenzt sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trennkammern (5, 5&min;, 5&min;&min;, 50, 50&min;&min;) als Batterie (21) angeordnet und durch eine Gruppe von Schaltorganen (21, 21&min;, 21&min;&min;, 210, 210&min;) je einzeln mit einer Zuführung (18, 18&min;, 18&min;&min;, 180, 180&min;&min;) für Fluid und Sperrfluid (7) verbindbar sind.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung als Regelglied den Wegaufnahmer (4, 4&min;, 4&min;&min;) und als Stellglied ein Motorventil (12) umfaßt, sowie einen Regler (14), dessen Eingang über eine Signalleitung (14&min;) mit dem Wegaufnehmer (4, 4&min;, 4&min;&min;), und dessen Ausgang über eine Steuerleitung (14&min;&min;) mit dem Motorventil (12) verbunden ist, und daß das Motorventil (12) in einer von der Zuführung (7) abzweigenden Rücklaufleitung (19) angeordnet ist.






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