DE2140660A1 - Druckmeßvorrichtung - Google Patents
DruckmeßvorrichtungInfo
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Description
DRESSER INDUSTRIES, Inc., Republic National Bank Building, Dallas, Texas 75 221 /USA
11 Druckme ßvorr i chtung "
Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmeßvorrichtung mit einer an eine zu messende Druckquelle anzuschließenden und in
Abhängigkeit von wahrgenommenen Druckänderungen beweglichen, auf Druck ansprechenden Einrichtung.
Das Gebiet, auf dem die Erfindung liegt, sind beispielsweise Vorrichtungen, die in Abhängigkeit von einem besonderen veränderlichen
Zustand, wie z.B. Flüssigkeitsdruck, Temperatur und dgl., eine Anzeige liefern oder einen Steuervorgang herbeiführen.
Bei den meisten auf einen Zustand ansprechenden Geräten, wie Druckanzeiger und dergl., zur Lieferung einer visuellen oder anderen
Anzeige von Druckwerten in dem System, an das sie angeschlossen sind, ist das Gerät durch eine Manometer-Empfindlichkeit,
d.h. Manometerdruck im Gegensatz zum absoluten Druck des zu messenden Systems, gekennzeichnet. Wenn auf dem absoluten Druck
basierende Messungen gewünscht werden, so wird bekanntlich der
*druck
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Innenraum des gesamten Gerätegehäuses auf ein völliges Vakuum evakuiert. Um zu dem erwarteten Ergenis zu kommen, wirft diese
Bedingung das ständige Problem der Einhaltung von ausreichenden Abdichtungen und der baulichen Stärke oder Unempfindlichkeit
gegen die einwirkenden atmosphärischen Druckkräfte auf. Es ist klar, daß die Herstellung eines ganzen, unter konstantem Vakuum
gehaltenen Gerätegehäuses für kommerzielle Verhältnisse viele Herstellungschwierigkeiten bringt, und zwar sowohl vom Standpunkt
der Erzeugung wie auch der Aufrechterhaltung eines vakuumdichten Zustande über die gesamte mögliche Verwendungszeit des Geräts.
Hat das Gerätegehäuse ein relativ großes Volumen, so wird eine Evakuierung für eine absolute Druckempfindlichkeit nicht nur
schwierig, sondern in hohem Maße undurchführbar.
Es wurde nun vor einiger Zeit ein auf einen Zustand ansprechendes Gerät vorgeschlagen, das in der Lage ist, einen gemessenen
Druck mit einer sehr hohen Genauigkeit anzuzeigen oder durch ein Signal kenntlich zu machen. Bei diesem Gerät kommt das Prinzip
des Kräftegleichgewichts mit einem Null-Stellungsvorgang zur Anwendung, wobei einzelne Änderungen im gemessenen Zustand eine
nach zwei Seiten gerichtete Bewegung eines Fühlers aus der Null-Stellung
hervorrufen, um somit Betriebssignale zu erzeugen, die in Wechselwirkung mit und im Verhältnis zu dem Ausmaß der Zu-
W Standsänderung stehen. Die so erzeugten Signale wirken über einen Antriebsmechanismus dahin, das Gleichgewicht in der Null-Stellung
wiederherzustellen, während gleichzeitig Druckwerte des jeweils eingetretenen Zustande angegeben werden. Das für einen hohen
Grad an Empfindlichkeit und Anzeigegenauigkeit ausgelegte gesamte Gerät weist eine Kombination eines mechanischen Antriebs mit
einer Motorkraft auf, die von verschiedenen Energiequellen, z.B. pneumatischen, elektronischen, elektrischen usw. Quellen, erzeugt
werden kann. Bei dem verwendeten ausgedehnten Arbeitsmechanismus ist das das gesamte Gerät aufnehmende Gehäuse von relativ beträchtlichem
Volumen im Vergleich beispielsweise zu einem einfachen Druckanzeiger bekannter Art. Solch ein Gehäuse für eine
absolute Druckempfindlichkeit eines kommerziell verwertbaren Ge-
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rats ausreichend und richtig zu evakuieren, ist sowohl kostspielig
wie schlecht durchführbar, wenn nicht unmöglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die bei einem Druckmeßgerät eine Empfindlichkeit gegen
absoluten Druck erreichen läßt. Ferner soll ermöglicht werden, einen Druckanzeiger mit Kräftegleichgewicht vom Null-Stellungstyp
von einer Empfindlichkeit auf Manometerdruck zu einer solchen auf absoluten Druck schnell und einfach umstellen zu können.
Hierbei soll die Notwendigkeit, ein ganzes Gehäuse evakuieren zu müssen, wie das zum Erzielen ähnlicher Ergebnisse bisher üblich
ist, wegfallen. Weiterhin soll ein Gerät geschaffen werden, das sich in seiner Arbeitsweise leicht und passend zum Messen von
absoluten Drücken oder von Differential-Drücken, je nachdem, worauf
das Gerät nach Wunsch empfindlich sein soll, eignet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss für eine Druckmeßvorrichtung
der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, daß mit der auf*dieser Einrichtung ausgeglichenen Druck erzeugende
Vorrichtung arbeitsseitig verbunden ist.
Die gestellte Aufgabe wird damit gelöst. Um eine Empfindlichkeit auf absoluten Druck zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine
evakuierte Druckdose atmosphärisch gegen eine Fühleinrichtung mit einem Null-Stellung-System ins Gleichgewicht gebracht, wodurch
in Abhängigkeit von Zustandsänderungen eine Bewegung hervorgerufen wird. Da die Druckdose ein relativ kleines Innenvolumen
hat, wird die Evakuierung leicht und sicher ohne die Notwendigkeit für komplizierte und aufwendige Gehäusedichtungen oder bisher
übliche Abdichtmaßnahmen erhalten. Indem zwei nicht-evakuierte Druckdosen, die jeweils atmosphärisch ausgewogen und einander
gegenüberliegend angeordnet sind, vorgesehen werden, kann das Gerät bequem und sicher mit Differential-Druckempfindlichkeit
und nicht nur mit Empfindlichkeit auf absoluten Druck betrieben werden. Es ist klar, daß auf diese Weise das angestrebte Ergebnis
angemessen und zweckmäßig sowie billiger im Vergleich zur bekannten Technik erhalten werden kann, was einen beträchtlichen
* Druck ansprechenden Einrichtung eine druckempfind- .
liehe und einen zu -^-
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Fortschritt auf dem einschlägigen Gebiet bedeutet.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die allgemein zum Messen des absoluten
Drucks im Bereich von etwa 3»5 ata und darüber geeignet
ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäs- * sen Vorrichtung, die zum Messen von relativ geringen absoluten
Drücken und von Differentialdrücken im allgemeinen im Bereich von etwa 3,5 ata und darunter geeignet ist.
Die Erfindung wird im Zusammenhang mit einer Druckanzeigevorrichtung
der erwähnten Null-Stellungstype beschrieben, Obwohl andere Ausbildungen möglich sind, die in Verbindung mit einer
Reihe von Energiequellen, wie z.B. elektronischen, pneumatischen, elektrischen usw. Quellen, einen Betrieb erlauben, wird der
Kürze halber nur die elektronische Ausbildung erläutert. Es ist klar, daß die Erfindung bzw. ihre Anwendung nicht hierauf beschränkt
ist.
Gemäß Fig· 1 wird der zu messende Systemdruck dem vorderen freien ψ Ende eines Bourdon-Rohres 10 zugeführt, das normalerweise an eine
Blende 11 mit einem quer liegenden Schlitz 12 angeschlossen ist. In der Null-Stellung ist der Schlitz 12 in der Mitte von zwei
Photozellen 14, 15 und zwischen diesen sowie einer dauernd leuchtenden Lampe 13 angeordnet. In dieser Lage wird jede der beiden
Photozellen nur sehr gering, jedoch konstant beleuchtet. Durch eine abgeglichene Brückenschaltung aus Widerständen 18 und 19,
deren Zwischenverbindung an Erde liegt, besteht an den Eingängen eines Differentialverstärker-Stabilisierungsnetzwerkes 20 ein
Null-Spannungsdifferential. Eine Bewegung des Bourdon-Rohres in Abhängigkeit von Änderungen im wahrgenommenen Druckzustand bewirkt,
daß der durch den Schlitz 12 verlaufende Lichtstrahl aus
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~ 5 —
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der Mitte verschoben wird, so daß die Brücke unabgeglichen ist und deshalb ein verstärktes Signal zum Antrieb des Gleichstrom-Servomotors
21 gegeben wird. Sowohl die Richtung, wie die Arbeitsgeschwindigkeit des Motors 21 stehen in Wechselbeziehung
mit und im Verhältnis zu der Lageverschiebung des
Schlitzes 12, und sie wirken über eine Rückkupplungsvorrichtung
mit Z.ahnrädern 24, 25 und 26 und einer Rückkupplungsfeder 28
dahin, den Blendenschlitz 12 zur Null-Stellung zurückzuführen, in welcher die Brücke durch den Lichtstrahl wieder abgeglichen
ist. Im Verlauf der Wiederabgleichung zur Null-Stellung kann
die Rückkupplungsvorrichtung eine Anzahl von entfernt gelegenen Anzeigegeräten, wie z.B. eine Schreibfeder 30, eine visuelle
Anzeige 31 und/oder ein Druckzählwerk 32, betätigen, durch die der gemessene Zustand in geeigneter Weise wiedergegeben tfLrd.
Das Gerät ist damit auf eine Manometerdruck-Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom System-Manometerdruck, der dem Bourdon-Rohr 10
zugeführt wird, eingestellt.
Um das Gerät auf eine absolute Druckempfindlichkeit zu bringen, ist ein eingespannter Biegebalken 40 vorgesehen, der an seinem
Einspannende über Gelenkzapfen 41, 42 mit einem feststehenden
Träger 43 verbunden ist. Das freie Ende des Bourdon-Rohres 10 ist an einer zum freien Ende des Biegebalkens hin gelegenen
Stelle 44 angeschlossen und der restliche Abschnitt des Biegebalkens betätigt die mit ihm an seinem Ende verbundene Blende
Auf diese Weise wird eine Bewegung des freien Endes des Bourdon-Rohres 10 prompt auf die Blende 11 zur Verschiebung des Schlitzes
12 in bezug auf die Null-Stellung zwischen den Photozellen 14, 15 übertragen.
An einer Stelle zwischen dem Träger 43 und der Verbindung 44 ist am Biegebalken 40 eine Druckdose 50 vorgesehen, deren Achse
sich seitlich zum Biegebalken erstreckt und die als atmosphärischer Widerstand gegenüber dem von dem Bourdon-Rohr 10 aufgebrachten
Widerstand wirkt. Damit die Druckdose 50 zuverlässig
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im Betrieb in wahrer Abhängigkeit von Änderungen im atmosphärischen
Druck arbeitet, wird zuerst sowohl dem Bourdon-Rohr 10, wie auch dem Innern der Druckdose 50 über die Leitung 51 gleicher
Druck zugeführt. Dann wird durch Lösen der Schraube 56 die Druckdose 50 entlang dem Biegebalken 40 zur Einregelung verschoben,
bis sie eine Lage erreicht hat, in der sowohl die Druckdose, wie auch dem Bourdon-Rohr zugeführte gleiche Druckänderungen
identische und ausgeglichene Bewegungsmomente um die Gelenkzapfen 41, 42 erzeugen. Dieser Zustand bedeutet ein atmosphärisches
Gleichgewicht zwischen der Druckdose 50 und dem Bourdon-Rohr 10, das durch die Blende 11 wiedergegeben wird, die
keinerlei Bewegungen bei Druckänderungen zeigt, wenn diese im Bereich der voraussichtlichen barometrischen Druckschwankung auftreten.
Ist das atmosphärische Gleichgewicht zwischen der Druckdose 50 und dem Bourdon-Rohr 10 hergestellt, so wird die Druckdose
am Biegebalken mittels der Schraube 56 und an einem festen
(nicht gezeigten) Träger mittels zweier Schrauben 52 und 53, die sich durch eine Konsole 54 mit Schraubenschlitzen 57, 58 erstrecken,
festgelegt. Bei atmosphärischer Übereinstimmung von Druckdose und Bourdon-Rohr wird dann die Druckdose 50 über die
Leitung 51 auf einen Druck in der Größenordnung von 20 Mikron Hg oder darunter evakuiert, und dann wird die Leitung 51 abgeschnitten
und an ihrem Ende dicht verschlossen. Die Anzeige irgend-" eines bestimmten, dem Bourdon-Rohr 10 zugeführten Drucks wird
dann nicht durch den atmosphärischen Druck beeinflußt, so daß die Druckmeßvorrichtung in wahrer Abhängigkeit vom absoluten
Druck arbeiten kann. Die Auswahl einer für die beschriebenen Zwecke geeigneten Druckdose sollte selbstverständlich darauf beruhen,
daß ihr wirksamer Bereich ein Moment gegen den Biegebalken erzeugen kann, das gleich dem vom Bourdon-Rohr 10 erzeugten
Moment ist, wenn in beiden der gleiche Druck herrscht. Auch muß die Federkonstante der Druckdose ausreichend niedrig sein, um
eine gute Bewegungsempfindlichkeit auf unausgeglichene Drücke zu erreichen.
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Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist im allgemeinen für geringere Größenordnungen von absoluten oder Differential-Druckbereichen
mit etwa 3,5 ata und darunter geeignet. Eine Druckdose 60 nimmt, ähnlich dem Bourdon-Rohr 10 nach Fig. 1, über eine Leitung
61 den Systemdruck auf. Die Druckdose 60 ist mittels zweier gegenüberliegender Muttern 62 an einem eingespannten
Biegebalken 63 befestigt, der an seinem festen Ende an einem feststehenden Träger 64 gehalten ist.
Die Biegebewegung des Balkens 63 wird durch eine Spannvorrichtung 66 auf den Biegebalken 40 übertragen, an dem - wie vorher die
Blende 11 angebracht ist. Um eine Gegenwirkung auf die Druckdose 60 - in einer gleichartigen Weise wie bei der Druckdose 50 zu
erreichen, ist am Biegebalken 63 mittels zweier gegenüberliegender Muttern 71 eine Druckdose 70 befestigt. Die Lage der
Druckdose 70 entlang dem Biegebalken 63 ist im wesentlichen mit der Druckdose 60 zusammenfallend oder übereinstimmend, obwohl
eine gewisse Verschiebung auf Grund möglicher Herstellungsunterschiede notwendig werden kann. Wie oben beschrieben wurde,
wird auch hier zuerst eine genaue atmosphärische Übereinstimmung zwischen den Druckdosen hergestellt, indem dem Inneren der Druckdose
60 über die Leitung 61 und dem Inneren der Druckdose 70 über die Leitung 72 identischer Druck zugeführt wird. Während dieser
Druck gehalten wird, werden die Muttern 62 und 71 gelöst, und es werden die jeweiligen Druckdosen entlang dem Biegebalken 63 relativ
zueinander verschoben, bis jede ein gleiches und entgegengesetztes Moment am Biegebalken erzeugt, wenn identische Drücke
vorhanden sind, was wiederum durch die Null-Stellung des Schlitzes 12 angezeigt wird. Ist das Druckgleichgewicht erhalten,so werden
die Muttem62 und 71 angezogen, und Schrauben 74 und 75, die sich durch eine geschlitzte Konsole 76 erstrecken, werden gegen
einen festen (nicht gezeigten) Träger festgezogen, um die Arbeitsstellung der Druckdose 70 zu sichern. Schrauben 79 und 80,
die sich durch eine geschlitzte Konsole 81 erstrecken, werden in gleicher Weise gegen einen festen (nicht gezeigten) Träger
zur Sicherung der Arbeitsstellung der Druckdose 60 gespannt.
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Damit ist - wie vorher - das Gerät auf absoluten Druck ansprechend
eingestellt, indem dann die Druckdose 70 in ähnlicher Weise - wie oben beschrieben - evakuiert wird.
Wenn es gewünscht wird, das Gerät nach Fig. 2 zum Messen eines
Differentialdrucks anstelle eines absoluten Drucks einzusetzen, so wird die Druckdose 70 nicht evakuiert, vielmehr wird ihre
Leitung 72 an eine zweite wahrzunehmende (nicht gezeigte) Druckquelle angeschlossen. Unter Differential-Arbeitsbedingungen
werden die auf den Biegebalken 63 wirkenden Kräfte eine Funktion des Differentiale der jeweils in den Leitungen 61 und 72 herrschenden
Drücke sein.
Die Spannvorrichtung 66, die nach Wunsch auch weggelassen werden kann, erlaubt eine Änderung in der wirksamen Kraft, die vom
Systemdruck über das Bourdon-Rohr in Abhängigkeit von einer gegebenen
Zustandsänderung ausgeübt wird. Es ist zu bemerken, daß die Spann- oder Einstellvorrichtung zwischen die Biegebalken 63
und 40 geschaltet ist, so daß sie eine Einstellung der wirksamen Kraft ermöglicht, die vom Druckmeßsystem - gemessen in der Achse
der Schraubsp±ndel 27 - erzeugt wird. Die Spannvorrichtung hat ein Paar von aufgebogenen Flanschen 84 und 85, die jeweils an
den Balken 63 und 40 befestigt sind und längliche Einstellschlitze 86 aufweisen. Über jedem der Flansche liegen verschiebbare
Spannschieber 87 und 88, die durch eine Biegefeder 89 miteinander verbunden sind und je einen länglichen Einstellschlitz
90 haben, durch den Scnauben 91 die Schieber an den Flanschen festhalten.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist es durch die Erfindung möglich, eine neuartige Vorrichtung zu schaffen,
mit der einfach und wirksam ein Druckanzeigegerät nach Wunsch so eingestellt werden kann, daß es auf absolute Drücke oder Differentialdrücke
anspricht. Dieses Ergebnis wird mit einer Anordnung erreicht, die eine größere Zuverlässigkeit bietet und wesentlich
geringere Herstellungskosten im Vergleich zur bisher
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bekannten Technik, wobei das gesamte, die einzelnen Bauteile
aufnehmendes Gehäuse evakuiert werden mußte, erfordert. Wenn für die Ausführungsformen nach der Fig. 1 und 2 in ihren Arbeitsbereichen
ein Unterschied angegeben wurde, so ist das als praktische Begrenzung wegen der charakteristischen Eigenschaften
eines ßourdon-Rohres gegenüber einer Druckdose, jedoch nicht als eine darauf gerichtete Beschränkung der Erfindung anzusehen.
Es ist selbstverständlich vorstellbar, daß Bourdon-Rohr e, die in Druckbereichen unterhalb 3,5 ata, und Druckdosen,
die in Druckbereichen oberhalb 3»5 ata arbeiten, hergestellt werden können.
- Patentanspruch· - 10 -
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Claims (14)
- Patentansprüche :MJ Druckmeßvorrichtung mit einer an eine zu messende Druckquelle anzuschließenden und in Abhängigkeit von wahrgenommenen Druckänderungen beweglichen, auf Druck ansprechenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit der auf Druck ansprechenden Einrichtung (10 j 60) eitie druckempfindliche und einen zur Einrichtung (10; 60) ausgeglichenen Druck erzeugende Vorrichtung (50; 70) arbeitsseitig verbunden ist.
- 2. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleich ein atmosphärischer Ausgleich ist und die druckempfindliche Vorrichtung (50; 70) einen Druck von einer Größenordnung aufnehmen kann, die unterschiedlich zu der des gleichzeitig an der auf Druck ansprechenden Einrichtung (10; 60) aufgenommenen ist.
- 3· Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an der druckempfindlichen Vorrichtung (50; 70) aufgebracht· Druck «in in dieser gehaltener Hochvakuumdruck ist·
- 4. Druckst ^vorrichtung nach Anspruch 2» dadurch ft kennzeichnet, daß di· druckempfindlich· Vorrichtung (50; 70) an «in· zweit« zu messend· Druckquell· anechließbar ist·
- 5· Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß «in Bitgebalken (40; 63) vorhanden ist, dtr betrieblich di· •ntg«f«ng«richt«t«n Arbeitskraft· der auf Druck ansprechenden Einrichtung (10; 60) sowie der auf Druck empfindlichen Vorrichtung (50; 70) aufnimmt und in Wechselwirkung zu dem dazwischen bestehenden Druckdifferential bewegbar ist,
- 6. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gektnnzeichiB t, daß die auf Druck ansprechende Einrichtung aus einem Bourdon-Rohr (10) und die auf Druck empfindliche Einrichtung aus einer209810/0285- 11 -2U0660Druckdose (50) besteht.
- 7. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die auf Druck ansprechende Einrichtung wie die auf Druck empfindliche Vorrichtung aus je einer Druckdose (60 bzw. 70) bestehen, die zueinander entgegengesetzte Druckwirkung haben.
- 8. Gegen absoluten Druck empfindliche Druckmeßvorrichtung mit einer auf Druck ansprechenden, an eine zu messende Druckquelle anschließbaren und in Abhängigkeit von wahrgenommenen Druckänderungen bewegbaren Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit der auf Druck ansprechenden Einrichtung eine einen hierzu entgegengesetzt wirkenden atmosphärischen Ausgleich bildende und auf riochvakuumdruck evakuierte Vorrichtung betrieblich verbunden ist.
- 9. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck ansprechende Einrichtung aus einem Bourdon-Rohr (10) und die auf absoluten Druck empfindliche Vorrichtung aus einer Druckdose (50) besteht.
- 10. Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die auf Druck ansprechende Einrichtung wie die auf absoluten Druck empfindliche Vorrichtung aus Je einer Druckdose (50 bzw. 70) bestehen, die zueinander in atmosphärischem Gegensatz stehen.
- 11. Druckmeßvorrichtung mit einer auf Druck ansprechenden, an eine zu messende Druckquelle anschließbaren und in Abhängigkeit von wahrgenommenen Druckänderungen an dieser Quelle in zwei Richtungen bewegbaren Einrichtung und mit einer mit dieser Einrichtung betrieblich verbundenen, im Zusammenhang damit eine bezogene Bewegung gegenüber einer Null-Stellung ausführenden Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß mit der auf Druck ansprechenden Einrichtung (10; 60) die Vorrichtung (50$ 70) betrieblich verbunden ist und einen entgegengesetzt wirkenden Druckausgleich liefert.209810/0285- 12 -
- 12. DruckmeBvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50; 70) zur Einstellung des Geräts auf absolute Druckempfindlichkeit auf einen Hochvakuumdruck evakuiert ist·
- 13· Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein druckempfindliches, an eine zweite zu messende Druckquelle anschließbares und damit das Gerät auf Differentialdruck-lmpfindlichkeit einstellendes Teil (50; 70) aufweist.
- 14. Druckneßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck ansprechende Vorrichtung ein Bourdon-Rohr (1Θ) und die damit betrieblich verbundene Vorrichtung eine Druckdose' (60) ist.15· Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die auf Druck ansprechende Einrichtung wlei/aie damit betrieblich verbundene Vorrichtung jeweils ein® Cruokdo die in ausgeglichenem, atmosphärischen Gegensatz stehen. /209610/0285ORtGiNAt INSPECTS)
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