Mess-Systeme
Als Mess-Systeme kommen sowohl weggebende als auch kraftgebende Systeme in Frage, je nach Art der Kompensation.
Die weggebenden Systeme sind im wesentlichen die gleichen, wie sie in anzeigenden und schreibenden Geräten verwandt werden.
Für Druckmessung:
Rohrfeder, Schneckenfeder, Plattenfeder usw.
Für Temperaturmessung:
Flüssigkeits-Federmesswerke, Bi-Metall usw.
Spezielle kraft-gebende Systeme werden vorwiegend bei Differenzdruckmessern und bei Druckmessung mit Kraft-Vergleichs-Kompensation verwandt. Hierbei handelt es sich in erster Linie um eine Platten- oder Wellrohrfeder oder eine Kombination aus mehreren dieser Elemente, je nach Einsatzzweck. Für höhere Druckbereiche und zur Temperaturmessung werden auch beim Kraftvergleich Rohr- oder Wendelfedern eingesetzt.
Die Bilder 1 bis 5 zeigen die Entwicklung solcher Messwerke für Differenzdruck.
Zu Anfang verwandte man nur eine beiderseits beaufschlagte Plattenfeder. Wie man leicht sieht, besitzt diese Anordnung keinerlei Überdrucksicherheit.
Die Forderung nach Überdrucksicherheit führte zu der Konstruktion nach Bild 2. Hier kann sich die Plattenfeder bei Überdrückung gegen eine entsprechend geformte Fläche legen und ist somit vor Beschädigungen geschützt. Das geht natürlich nur, solange der Raum zwischen der Membran und der Auflagefläche frei von Verschmutzungen ist.
Der entscheidende Fortschritt kam mit der Konstruktion nach Bild 3, der sogenannten Differenzdruckzelle. Diese Zelle besteht aus zwei Membranen, die durch eine feste Achse verbunden sind und zwischen sich ein Flüssigkeitsvolumen einschließen. Eine feste Trennwand innerhalb der Zelle bewirkt, daß bei Auslenkung Flüssigkeit durch eine als Ventil ausgebildete Bohrung von einer Seite der Trennwand auf die andere strömen muß. Die Achse ist so geformt, daß sie als Ventilkegel dient und bei überschreiten eines bestimmten Hubes den Durchgang absperrt, so daß auf der überlasteten Seite ein Flüssigkeitsvolumen eingeschlossen wird, das infolge seiner lnkompressibilität eine weitere Verformung der Membran verhindert. Damit ist eine sehr hohe Überdrucksicherheit gegeben. Fertigungstechnisch ist diese Konstruktion aber schwierig, da das Verhalten der beiden Membranen genau aufeinanderabgestimmt sein muß und die Membranen mit der Trennwand zu einer geschlossenen Einheit verschweißt werden müssen. Weiter ist es unvorteilhaft, daß das Übertragungsgestänge mit dem Medium in Berührung kommt.
Hier schafft die Konstruktion nach Bild 4 Abhilfe. Eine einfache Membran, die als Messglied dient, wird beiderseits von Schutzvorlagen gegen das Medium abgeschirmt. Der Raum zwischen den Schutzvorlagen und der Messmembran ist ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt. Auch hier wird bei Überschreiten eines, bestimmten Hubes ein Flüssigkeitsvolumen eingeschlossen und verhindert so eine Verformung der Messmembran und der Schutzvorlagen. Das Übertragungsgestänge kommt dabei nicht mit dem Medium in Berührung, sondern liegt innerhalb des flüssigkeitsgefüllten Raumes. Da auch die Messmembran innerhalb dieses Raumes liegt, kann sie beim Reinigen des Gerätes nicht beschädigt werden. Eventuelle Verformungen der Schutzvorlagen haben auf die Messung keinen Einfluß.
Bild 5 zeigt eine Weiterentwicklung dieser Konstruktion. Hierbei ist die Messmembran durch eine Wellrohrfeder ersetzt worden. Diese Ausführung ist in der Lage, einen größeren Hub auszuführen. Dadurch wird die Gefahr von Messfehlern nach erfolgter Überdrückung geringer.
Nachteil der Konstruktionen nach Bild 4 u. 5 ist, daß sie kaum für den Einsatz unter Vakuum geeignet sind, da in diesem Falle durch Verdampfen der Flüssigkeit irreguläre Zustände im Innern entstehen und somit keine einwandfreie Übertragung der äußeren Drücke auf das Messglied gewährleistet ist.
In Verbindung mit einem Wandler-System nach dem Weg-Vergleichs-Prinzip eignen sich die vorbeschriebenen Konstruktionen nicht. Hier hat sich die sogenannte Bartonzelle als Standard-Mess-System durchgesetzt. Die Bartonzelle besteht aus zwei Wellrohrfedern, die durch eine Mittelachse miteinander verbunden sind. Der Raum innerhalb der Wellrohrfedern ist ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt. Eine starre Trennwand dient in Verbindung mit der Mittelachse auch hier wieder als Ventil und sperrt bei Überlastung ein Flüssigkeitsvolumen ab, das eine Verformung des Systems verhindert. Durch die Ausrüstung mit verhältnismäßig langen Wellrohrfedern ist dieses System in der Lage, einen ziemlich großen Weg zu beschreiben. Die Auslenkung wird mit Hilfe eines Torsionsrohres nach
außen übertragen. Auf einer Seite ist dem System eine dritte kleine Wellrohrfeder vorgelagert, die als Ausgleichskammer bei Temperaturschwankungen dient.
Das Übertragungs-System beschränkt sich bei den meisten Messumformern auf ein einfaches Hebelgestänge und ist daher kaum als solches erkennbar. Besondere Bedeutung erhält es jedoch bei der Differenzdruckmessung. Hier muß die resultierende Kraft oder die Bewegung des Systems aus einem unter hohem Druck stehenden Raum nach draußen auf das Wandler-System übertragen werden
Eine Möglichkeit stellt die schon erwähnte Torsionsrohr-Durchführung nach (Abb. 11) dar. Dabei wird zunächst der Ausschlag des Mess-Systems in die Drehbewegung einer Welle umgesetzt. Diese Welle ist außen gelagert und innen fest in einem Rohr eingeschweißt. Infolge der vom Meßglied ausgeübten Kraft verwindet sich dieses Rohr und bewirkt somit eine gewisse Drehung der nach außen fahrenden Welle. Diese Drehung wird nun wiederum auf das Wandler-System übertragen. Bei der Badonzelle beträgt der Drehwinkel der Welle max. 7°.
Eine zweite Möglichkeit stellt die sogenannte Biegemembran dar. Die Wirkungsweise ist etwa folgende:
Im Zentrum einer fest eingespannten Membran ist ein Hebel starr mit der Membranmitte verbunden. Diese Membran schließt den druckbeaufschlagten Raum nach außen ab. Wird nun das innere Hebelende ausgelenkt, so wirkt die Membran als Drehpunkt, so daß das äußere Hebelende eine Bewegung in umgekehrter Richtung beschreibt. Da die Linearität dieser Übertragungsart nur bei einem geringen Ausschlag gewährleistet ist, kann die Biegemembran in Verbindung mit Wandler-Systemen nach dem Weg-Vergleich nicht eingesetzt werden. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß auf jeden Fall ein Ausweichen der Membran nach außen, bedingt durch den innen herrschenden Überdruck, vermieden werden muß. Das geschieht meist dadurch, daß man den äußeren Teil des Übertragungshebels in der Nähe der Membran mittels Spannbändern noch einmal lagert und so gegen axiale Verschiebung sichert.
Durch seitliches Verschieben des Anlenkungspunktes dieser Federbänder lassen sich zusätzliche Fehler in der Zentrierung des Hebels in der Membran ausgleichen.
Das Übertragungs-System wird auch dort wichtig, wo das Messglied einen Weg beschreibt, die Kompensationseinheit aber nach dem Kraftvergleich arbeiten soll. In diesem Falle wird üblicherweise der vom Messglied erzeugte Weg mittels Auslenkung einer Zug- und Druckfeder in eine proportionale Kraft umgesetzt.