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Einrichtung zum Eichen von Druckmessern
Der Erfindungsgegenstand ist eine Einrichtung zur Eichung von Druckgeber resp. von Druckmessapparaturen, wie sie beispielsweise zur Druckmessung an Verbrennungsmotoren oder in andern Fällen, wo es notwendig ist, Werte schnell ver- änderlicher Druckverläufe zu ermitteln, verwendet werden. Bekannt sind Geber auf piezoelektri- scher, kapazitiver, induktiver oder anderer Grundlage. Ein Nachteil der verwendeten Geber ist ihre
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länger dauernden und in ungeeigneter Umgebung durchgeführten Messungen nur eine geringe Ge- nauigkeit, erzielen lässt.
Die Eichung des Gebers bzw. der Apparatur vor der Messung ist nicht ausschlaggebend, da infolge der'Warmeabhän- gigkeit und der Unbeständigkeit des elektronischen Systems'gewöhnlich eine Verlagerung des Nullpunktes während der Messung eintritt. Aus diesen Gründen ist es zweckmässig, diese Einrichtungen dahingehend zu verbessern, dass während der Messung eine Eichung mittels eines bekannten Druckes vorgenommen werden kann. Ein weiterer, eine Eichung während der Messung erfordernder Umstand ist die Nichtlinearität der Anzeige von Gebern, was besonders bei kapazitiven Membrangebern der Fall ist.
Es sind mehrere Verfahren zur genauen Eichung während der Messung veränderlicher Drücke vorgeschlagen worden. Der Grundgedanke einiger dieser liegt im Vergleich des momentanen Druckes (Messdruck) im Messraum mit einem genauen bekannten äusseren Druck (Eichdruck). Beide Drücke wirken auf verschiedene Seiten eines leichten Ventiles oder einer Scheibe ein, die sich danach einstellt, welcher Druck grö- sser ist. Berührt die Scheibe die obere oder untere Begrenzung, wird ein elektrischer Funke ausgelöst, welcher auf d'er Registriertrommel einen Punkt zeichnet. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens, z. B. bei Druckmessungen von Verbrennungskraftmaschinen, ist, dass infolge der mit der Zeit sich ändernden Kennwerte (Temperatur, Druck usw. ) eine grosse Streuung der Punkte verursacht wird.
Ein weiterer allgemeiner Nachteil dieser Verfahren liegt darin, dass sie wegen der Massen der in der Vergleichseinrichtung vorhandenen be- weglichen Körper (Ventile, Schieber od. dgl.) nur dann mit genügend'er Genauigkeit arbeiten, wenn die Geschwindigkeit der Druckänderung unterhalb der durch die Massenträgheit der bewegten Teile bestimmten Grenze bleibt. Druckwellen im ZyLinder, welche eine höhere Frequenz haben, werden im Diagramm nicht mehr verzeichnet. Es gibt natürlich auch andere Verfahren, von denen ein sehr einfaches, besonders bei kapazitiven Gebern, angewendet wird. Hiebei entsteht eine Membranauslenkung nur dann, wenn der Messdruck eine bekannte Grösse (d. i. den einstellbaren Eichdruck) überschreitet.
Nachteil dieses Verfahrens ist, dass nur der Verlauf der eine'bestimmte Grenze überschreitenden Drücke registriert wird, wogegen die die gegebene Grenze nicht ereichenden Drücke überhaupt nicht verzeichnet werden. Das Druckdiagramm besteht in diesem Falle aus einer Reihe von Teildiagrammen, welche nach dem Messen ausgewertet werden müssen, was oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
Durch den Erfindungsgegenstand werden die angeführten Nachteile beseitigt. Er stellt eine Einrichtung zum Eichen von Druckgebern während der Messung dar, bei welcher die Gleichheit eines einstellbaren Eichdruckes mit dem zu messenden Druck registriert wird.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckgeber eine aus einer einerseits durch den Eichdruck und anderseits durch den Messdruck p beaufschlagte Membrane 3 bestehende Vergleichseinrichtung eingebaut ist, die durch das Umspringen der Membrane 3 bei Druckgleichheit einen elektrischen Impuls auslöst, welcher über eine Differentiationsschaltung 15, 16, 17 gemeinsam mit dem Signal des Messdruckes p einem Kurvenschreiber, vorzugsweise einem Kathodenstrahloszillographen, zugeführt wird.
Gemäss weiteren Merkmalen der Erfindung werden die von der Vergleichseinrichtung kommenden differenzierten Impulse dem Signal des Messdruckes derart überlagert, dass in dem ansonst stetig verlaufenden Messsignal an je-
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nen Punkten, in denen Druckgleichheit herrscht, Impulszacken verschiedener Art auftreten, je nachdem, an welchen Punkten der Messanordnung die Signale eingekoppelt werden. In einer vorteilhaften Ausführung dieses Erfindungsvorschlages werden solche Eichmarken erzeugt, welche gleichzeitig aus spitzen Impulsen in horizontaler und vertikaler Richtung bestehen und die sich dem zu messenden Verlauf überlagern.
Die erfindungsgemässe Einrichtung stellt in ihrem mechanischen Teil im wesentlichen eine Ver- gleichseinrichtung dar, die in einem nach irgendeinem bekannten Prinzip arbeitenden Druckgeber eingebaut ist und die eine Membrane aufweist, auf deren eine Seite der Messdruck und auf deren andere Seite der Eichdruck einwirkt, welche Membran so gebaut ist, dass sie von einer Lage in eine andere umspringen kann, um über eine vom übrigen Gerät Isolierte Gegenelektrode einen Stromkreis zu schliessen bzw. zu öffnen.
Der erfindungsgemässe elektrische Teil der Messanordnung enthält eine Mischstufe zur Mischung der über Differentiationsglieder und gegebenenfalls über ein Verzögerungsglied zugeführten Impulse der Vergleichseinrichtung mit dem Signal des Messdruckes, sowie eine zweite Mischstufe, welcher über dieselben oder über ein anderes Differentiationsglied und eventuell noch über ein weiteres Verzögerungsglied die Impulse der Vergleichseinrichtung und die Kippspannung der Zeitbasis zugeführt werden.
Schliesslich schlägt die Erfindung. die Verwendung einer monostabilen Kippanordnung in der Messschaltung vor, welche zur Steuerung der Intensität des Kathodenstrahles der Oszillographenröhre während der Impulsdauer im Sinne einer Verstärkung desselben dienen soll.
Die so gekennzeichnete erfindungsgemässe Einrichtung erlaubt die Verbindung der punktweisen Druckaufzeichnung mit einer. dauernden Kontrolle des Druckverlaufs, wobei die Messung 'durch träge Massen praktisch nicht beeinträchtigt wird.
Der Erfindungsgegenstand wird mittels eines Beispieles an Hand der beigelegten Zeichnungen näher erklärt. Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Druckgeber. Fig. 2 stellt das Blockschema der gesamten Einrichtung und Fig. 3 Signalverläufe in seinen einzelnen Teilen dar.
Fig. 1 zeigt das Schema mit einem Schnitt durch einen piezoelektrischen Geber, welcher mit einer Einrichtung zur Signalisierung der Gleichheit des Messdruckes mit dem Eichdruck verbunden ist. Der Körper des Gebers 8 ist beispielsweise an einem Zylinderkopf 9 angebracht (angeschraubt). Der Messdruck p wirkt über einen Innenteil 2 auf den Quarzkristall 1. Der Innenteil wird in seiner Lage durch eine Scheibe 5 gehalten. Im Körper 2 ist eine Vergleichseinrichtung eingebaut, zu welcher über den Einlass 6
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Membrane 3, welche in ihrer oberen Lage an einer isolierten Gegenelektrode 4 anliegt. Die elektrischen Anschlüsse führen über den Stecker 7 zu den weiteren Teilen der Einrichtung, wie es im folgenden noch beschrieben wird.
Die Wirkungsweise des Gebers mit den beiden Messeinheiten, d. h. mit dem Messelement 1 und der Vergleichseinrichtung 3,4 beruht darin, dass zugleich sowohl eine Aufzeichnung des Messverlaufes p als auch eine Registrierung des Momentes, in welchem Messdruck p und Eichdruck P1 gleich sind, erzielt wird. Wächst der Messdruck über den Wert des Eichdruckes, springt die Membrane 3 von ihrer unteren Lage an die isolierte Gegenelektrode über und im umgekehrten Fall springt die Membrane 3 wieder von der oberen Lage in die untere zurück. Am Ausgang des Gerätes entsteht also neben der Anzeige des Druk- k, es p (Fig. 3A) auch die Anzeige der Druckgleichheit (p = p) nach SE (Fig. 3C).
Es ist offensichtlich dass beide Messteile getrennt hergestellt werden können, aber in der Anordnung nach Fig. 1, d. i. also als eine Einheit, erscheint die Realisierung am vorteilhaftesten. Auch andere Geberprinzipe, wie z. B. kapazitive, induktive usw. können ohne dass die Anordnung ausserhalb des Rahmens der Erfindung fallen würde, angewendet werden und anstatt der Membrane 3 könnte ein Ventil, Kolben od. dgl. benützt wer- den.
In Fig. 2 wird ein Beispiel des Blockschemas
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sich im wesentlichen aus drei Teilen zusammen, u. zw. dem Druckgeber mit der Vergleichseinrichtung 11, 12, z. B. nach Fig. 1, einem Oszillographen 13 und den elektronischen Einrichtungen 14-21.
Das Signal des Druckgebers 11, welches dem Messdruck p entspricht und in Fig. 3A dargestellt ist, wird über den Signalkanal 14 den vertikalen Ablenkplatten des Oszillographen 13 zugeführt. Den horizontalen Ablenkplatten wird das Zeit-Ablenksignal ZB des Zeitbasisgerites 21 zugeführt. Das Signal SE der Vergleichseinrichtung : 12 weist einen mäanderförmigen Verlauf (s. Fig. 3C) auf. Nach der Verstärkung im Verstärker 15 wird dieses Signal sowohl einem Differentiationsglied 16 als auch einem zweiten Differentiationsglied 17 zugeführt. Diese Differentiationsglieder sind mit je einem Spannungsinverter und einem passend polarisierten Gleichrichter versehen, so dass am Ausgang der Stufen 16 und 17 sogenannte Impulsfunktionen IF bzw.
IF' (Fig. 3C'und 3C") entstehen, welche die Spitzenimpulse s von der gleichen Polarität zur Zeit der Gleichheit des Messdruckes mit dem Eichdruck enthalten. Die spitzen Impulse s des Verlaufes IF werden in der Mischstufe 20 dem Verlauf ZB des Zeitbasisgerätes 21, dargestellt in Fig. 3B, überlagert. Das sich dadurch ergebende Signal ZB' (s. Fig. 3E) wird den horizontalen Ablenkplatten des Oszillographen 13 zuge-
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verlauf p nach Fig. 3A überlagert. Das sich so ergebende Signal p' (s. Fig. 3D) wird den vertikalen Ablenkplatten des Oszillographen 13 zugeführt.
Auf dem Schirm der Bildröhre des Oszillographen 13 entsteht ein Bild des Mess- druckv ; erlaufes ZK nach Fig. 3F, in welchem die die Gleichheit p = P1 (Messdruck und Eichdruck) kennzeichnenden Augenblicke genau durch zwei zueinander senkrechte Impulse v und h bezeichnet sind.
Im Hinblick darauf, dass die Schreibgeschwindigkeit des Oszillographen beim Aufzeichnen der Impulse v und h gross ist, würde die erfindungsgemässe Einrichtung diese Impulse nur schlecht sichtbar abbilden. Aus diesem Grunde wird mittels einer durch die Impulse s gesteuerten monostabilen Schaltung 22 ein Rechteckimpuls q einstellbarer Dauer erzeugt (Fig. 3G), der z. B. dem Wehneltzylinder der Kathodenstrahlröhre 13 zugeführt wird und somit eine Aufhellung der Impulse v und h, bewirkt. Eine ähnliche Wirkung kann durch das Einwirken des Impulses q auf die Nachbeschleunigungsanode der Kathodenstrahlröhre erzielt wenden.
Die Verzögerung T beträgt grössenordnungsmässig einige Mikrosekunden, also ist der Fehler bei üblichen Drehzahlen bis 6000 U/min vernachlässigbar.
Die Erfindung ermöglicht eine sehr einfache Eichung der Apparatur während des Betriebes.
Die Eichmarken v und h sind sehr gut ablesbar, informativ und ermöglichen eine eindeutige Bestimmung des Druckes in jedem beliebigen Punkt, wie gross auch der Wert des Differentialquotien- ten dpldt sein mag. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Masse der Membrane der Vergleichsein- richtung, so dass der Einfluss der trägen Masse bei grösseren Werten des Differentialquotienten dpldt praktisch vernachlässigbar ist. Nähert sich der Quotient dpldt unendlich grossen Werten (das kann nur in sehr kleinen Zeitabschnitten der Fall sein, z. B. bei Explosionen im Verbren- nungsraum), könnten Schwierigkeiten'beim er- findungsgemässen Verfahren dadurch vermieden werden, dass der Eichdruck in diesem Intervall nicht eingestellt wird, was natürlich bei den bis- herigen Verfahren nicht möglich war.
Die Erfindung kann weiterhin zur Kontrolle des angezeigten Druckes bei langdauernden sta- tischen Messungen angewendet werden. Der Eich- druck wird solange erhöht, bis der Differential- indikator einen Impuls auslöst, was bedeutet, dass
Druckgleichheit herrscht.
Die wesentliche Bedeutung der Erfindung be- ruht in der Verbesserung der Genauigkeit von Druckmessungen und wirkt sich somit auf die Konstruktion von Verbrennungsmotoren aus, wo die bisher unzuverlässigen Messmethoden die grössten Schwierigkeiten bereiteten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Eichen von Druckmessern mit piezoelektrischem, kapazitivem oder induktivem Geber, bei welcher die Gleichheit eines einstellbaren Eichdr. uckes ( ) mit dem zu messenden Druck (p) angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckgeber eine aus einer einerseits durch den Eichdruck (P1) und anderseits durch den Messdruck (p) beaufschlagten Membrane J bestehende Vergleichseinrichtung eingebaut ist, die durch das Umsprmgeh der Membrane (3) bei Druckgleichneit einen elektrischen Impuls auslöst, welcher über eine Differentiationssohaltung (15, 16, 17) gemeinsam mit dem Signal des Messdruckes (p) einem Kurvenschreiber, vorzugsweise einem Kathodenstrahloszillographen, zugeführt wird.