AT390513B - Verfahren und einrichtung zur bereitstellung eines hydrodynamischen druckimpulses - Google Patents

Description

Nr. 390 513

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählbarer Dauer und Amplitude, wobei eine von einer Meßkammer umschlossene Flüssigkeit dynamisch komprimiert wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Verfahren bzw. Einrichtungen zur Bereitstellung von Druckimpulsen sind sowohl für den hydrostatischen als auch für den hydrodynamischen Fall bekannt, wobei aber bis dato lediglich im statischen Falle ein mathematisch bzw. absolut beschreibbarer Druck realisiert und bereitgestellt werden kann. Im Falle von dynamischen und hochdynamischen Druckimpulsen, wie sie insbesondere beispielsweise für die Weiterentwicklung oder Kalibrierung von piezoelektrischen Druckaufnehmem, die bei instationär ablaufenden technischen Prozessen verwendet werden, erforderlich wären, ist es aber bis dato nicht gelungen, mathematisch definierte bzw. absolut beschreibbare Impulse bereitzustellen; aus diesem Grunde wurden bisher auch im Zusammenhang mit dynamischen Druckimpulsen nur relative Abschätzungen der diesbezüglichen Einflüsse durchgeführt.

Im Zusammenhang mit den bereits erwähnten dynamischen Druckaufnehmem hat der sogenannte "kalte Druckstoß" - das ist ein hydrodynamischer Druckimpuls ohne die im normalen Meßbetrieb derartiger Druckaufnehmer zumeist gleichzeitig auftretende hohe thermische Stoßbelastung - als Prüfverfahren ziemliche Bedeutung, da damit das Verhalten der Druckaufnehmer bei ausschließlich dynamischer Belastung, also ohne den Einfluß thermischer Beanspruchungen, untersucht werden kann. Ein solches Prüfverfahren ist deshalb sehr bedeutsam, da bei Vergleichsmessungen im praktischen Meßbetrieb (mit thermischen und mechanischdynamischen Belastungen) von einzelnen Druckaufhehmem, die statisch unter identischen Bedingungen kalibriert wurden, teilweise unterschiedliche Messungen geliefert werden. Man kann in diesem Zusammenhang von einem gewissen dynamischen Eigenleben eines Druckaufhehmers sprechen und bezeichnet damit jene Eigenschaften, die weder mit dem Frequenzverhalten des Druckaufnehmers erklärt, noch aus dem Verlauf der statisch ermittelten Empfindlichkeitskennlinie interpretiert werden können. Die gezielte Untersuchung dieses dynamischen Eigenlebens der Druckaufnehmer und hier insbesondeis der piezoelektrischen Druckaufnehmer erfordert also eine Möglichkeit, die beim praktischen Meßeinsatz auftretenden Druckverläufe ohne gleichzeitige thermische Belastung möglichst gut nachzuvollziehen, was aber aus den oben angesprochenen Gründen mit den bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen zur Bereitstellung von hydrodynamischen Druckimpulsen nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zugehörige Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so zu verbessern, daß die genannten Nachteile nicht auftreten und daß insbesondere ein mathematisch definierbarer, absolut beschieibbaier hydrodynamischer Druckimpuls · an sich für beliebige Verwendung, insbesonders aber zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren - bereitstellbar ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingang genannten Art dadurch gelöst, daß zur Definition des absoluten Druckimpulses die im abgeschlossenen Innenvolumen der Meßkammer befindliche Flüssigkeit mittels eines von außen dynamisch betätigbaren Kolbens beeinflußt wird, die auf den Kolben und von diesem auf die Flüssigkeit übertragene kinetische Energie ermittelt wird, der zugehörige zeitliche Verlauf des Druckimpulses erfaßt wird, die relevanten Feder- und Dämpfungscharakteristiken des Drucksystems aus der vom Kolben übertragenen kinetischen Energie und dem erfaßten zeitlichen Druckverlauf ermittelt werden und daraus auf den Verlauf des absoluten Druckimpulses geschlossen wird. Der Kolben stellt zusammen mit den sonstigen Komponenten des Drucksystems ein Schwingsystem dar, dessen relevante Systemkonstanten aus der vom Kolben übertragenen kinetischen Energie sowie aus dem zeitlichen Verlauf des Druckimpulses ermittelt werden können. Der zeitliche Verlauf des Druckimpulses selbst kann entweder über einen von der komprimierten Flüssigkeit beaufschlagten Drucksensor, oder über eine exakte Bestimmung des Kolbenweges während der dynamischen Betätigung des Kolbens, über eine Dehnungsmessung an der Begrenzung der Meßkammer, oder über ähnliche bekannte Maßnahmen aufgenommen werden; wichtig ist hier nur, daß Beginn, Lage des Maximums und Ende des Druckimpulses exakt festgestellt werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kolben von einem Fallgewicht vorgegebener Masse betätigt wird; abgesehen von dieser konstruktiv einfachen und billig, einfach und gefahrlos handzuhabenden Möglichkeit könnte aber die dynamische Betätigung des Kolbens auch auf andere Weise erfolgen, so z. B. mittels einer auf beliebige Weise beschleunigten Masse, mittels einer vorgespannten Feder, oder auch magnetisch.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden für die Ermittlung der Federcharakteristik c und der Dämpfungscharakteristik d Kolben und Fallgewicht zusammen als eine Masse betrachtet, welche in Abhängigkeit von Feder- und Dämpfungscharakteristik schwingt. Damit wird also das Drucksystem, in dem gemäß der Erfindung ein mathematisch definierbarer hydrodynamischer Druckimpuls bereitgestellt werden soll -sei es als dynamischer Druckstandard an sich oder aber für verschiedene Kalibrier- oder Meßzwecke - als Schwingsystem mit einer bestimmten Feder- und Dämpfungscharakteristik betrachtet, wobei der die Anregungsenergie übertragende Kolben zusammen mit dem Fallgewicht als sogenannter Ein-Massenschwinger angesehen wird. Zur exakten Beschreibung des Systems müßte eigentlich von einem Zwei-Massenschwinger ausgegangen werden, da auch zwischen dem Fallgewicht und dem Kolben Feder- und Dämpfungswirkung auftritt, was aber die Auswertung der Messungen und damit die Definition des Druckimpulses sehr erschwert. Es hat sich aber gezeigt, daß mit dem Modell des Ein-Massenschwingers eine sehr hohe Genauigkeit bei der mathematischen Beschreibung der erzeugten hydrodynamischen Druckimpulse erzielt werden kann, sofeme nur das Verhältnis der -2-

Nr. 390 513

Masse des Fallgewichts zur Masse des Kolbens etwa im Bereich von 100:1 und darüber angesetzt werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden bei gleichbleibender Masse des Fallgewichts mehrere Druckimpulse in zeitlicher Aufeinanderfolge und mit unterschiedlicher Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichts ausgelöst, welche damit unterschiedliche zeitliche Breiten und Amplitudenhöhen aufweisen, wobei aus den so punktweise ermittelten Federkonstanten cj und Dämpfungskonstanten dj die Federcharakteristik c und Dämpfungscharakteristik d ermittelt werden. Da die Federkraft eine nichtlineare Funktion des Verschiebungsweges der Masse und ebenso die Dämpfungskraft nicht direkt proportional zur Geschwindigkeit der Masse ist, muß davon ausgegangen werden, daß eine Federcharakteristik und eine Dämpfungscharakteristik ermittelt werden müssen, um das Drucksystem im gesamten interessierenden Druckbereich beschreiben zu können. Nach der genannten Ausgestaltung werden für verschiedene Auftreffgeschwindigkeiten des Fallgewichts punktweise die zugehörigen Konstanten des Systems ermittelt, die in der Zusammenschau die entsprechende Charakteristik über den interessanten Druckbereich ergeben. Wesentlich für die Ermittlung der relevanten Systemkonstanten bzw. Systemcharakteristiken ist damit die Erzeugung von Druckstößen mit verschieden hohen maximalen Amplituden unter sonst konstanten Systembedingungen; d. h. konstanter Masse von Fallgewicht und Kolben und konstantes Ausgangsvolumen der in der Meßkammer befindlichen Flüssigkeit. Nur unter diesen Umständen gilt, daß für jeden Druckimpuls das gleiche systemeigene Feder- bzw. Dämpfungsveihalten wirksam ist. Verschieden hohe Amplituden der einzelnen Druckimpulse werden dann ausschließlich durch Variation der Anfangsenergie - das ist die kinetische Energie von Kolben und Fallgewicht unmittelbar nach deren Berührung, abhängig von der jeweiligen Fallhöhe des Fallgewichts - erzeugt Nähere Ausführungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch in der Figurenbeschreibung enthalten, sodaß zur Vermeidung von Wiederholungen hier nur auf diese Stellen verwiesen wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Bestimmung der auf den Kolben übertragenen kinetischen Energie die Geschwindigkeit des Fallgewichts unmittelbar vor der Zusammenwirkung mit dem Kolben ermittelt wird. Dies ermöglicht vorerst eine sehr einfache und sehr genaue Feststellung der den Kolben beaufschlagenden kinetischen Energie, die sich von der vom Kolben übertragenen praktisch nur durch den Impulsverlust über den Kolben unterscheidet, und damit eine erhöhte Genauigkeit der Aussagen bezüglich der absoluten Parameter des dynamischen Druckimpulses.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Dauer der Zusammenwirkung zwischen Fallgewicht und Kolben bestimmt und zur Kontrolle bzw. Korrektur der zeitrichtigen Erfassung des Druckimpulses verwendet wird. Da eine Energieübertragung vom Fallgewicht auf den Kolben und von diesem auf die zu komprimierende Flüssigkeit nur während der Zusammenwirkung zwischen Fallgewicht und Kolben (diese kann direkt oder über zwischengeschaltete Elemente erfolgen) stattfinden kann, ist die tatsächlich nachweisbare zeitliche Dauer des Druckimpulses direkt mit der Dauer der Zusammenwirkung der genannten Teile verknüpft, was eine einfache Kontroll- bzw. Korrekturmöglichkeit ergibt

Zur absoluten dynamischen Kalibrierung eines Drucksensors mit dem bereitgestellten Druckimpuls kann dabei in einfacher Weise der zeitliche Verlauf des Druckimpulses unter Einbeziehung der Ausgangssignale des zu kalibrierenden Drucksensors selbst aufgenommen werden. Damit kann ein zusätzlicher Drucksensor entfallen; der zu kalibrierende Drucksensor liefert selbst das vorerst nur bezüglich des zeitlichen Verlaufs wesentliche Signal.

Zur einfachen Bestimmung der dynamischen Kompressibilität der von der Meßkammer umschlossenen Flüssigkeit braucht nur zusätzlich das Ausgangs-Innenvolumen der Meßkammer bestimmt zu werden. Dies ermöglicht eine andere vorteilhafte Ausnützung der Erfindung zur Messung bzw. Bestimmung einer vorerst unbekannten dynamischen Kompressibilität einer Flüssigkeit, wobei der zugehörige Formalismus im folgenden der Vollständigkeit halber kurz angeführt ist: A2 K =-

c.V mit: c.. Federsteifigkeit A.. Kolbenquerschnitt V.. Ausgangsvolumen

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer weitgehend starr begrenzten Meßkammer, einer von dieser umschlossenen Flüssigkeit, sowie einer Kompressionseinrichtung zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer zumindest eine äbgedichtete Durchtrittsöffnung in der oberen Begrenzung, in der ein von außen dynamisch betätigbarer Kolben der Kompressionseinrichtung geführt ist, sowie einen, gegebenenfalls unter Einbeziehung seiner Ausgangssignale auch unmittelbar absolut dynamisch kalibrierbaren Drucksensor aufweist, und daß die Kompressionseinrichtung weiters ein Fallgewicht bestimmter Masse aufweist, welches an einer Führungseinrichtung geführt ist und mit dem Kolben zusammenwirkt. Damit -3-

Nr. 390 513 ergibt sich ein einfacher Aufbau der Einrichtung und - zufolge der Ausnutzung der vom Fallgewicht gelieferten kinetischen Energie - die Möglichkeit zur Erreichung einer hohen Reproduziergenauigkeit.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Durchtrittsöffnung für den Kolben an der Meßkammer mit einer an sich in verschiedenen Ausführungen 5 bekannten, reibungsarmen, druckkompensierten Dichtung gegen den Kolben versehen ist. Die Dichtung kann in diesem Zusammenhang weiters an der dem Innenvolumen der Meßkammer zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz konzentrisch zum Kolben aufweisen, dessen innere Weite einen weitgehend konstanten Dichtspalt zum Kolben im auftretenden Druckbereich bestimmt. Damit kann über einen relativ weiten Druckbereich (piezoelektrische Druckaufnehmer der obenstehend bereits besprochenen Art werden beispielsweise mit 10 Druckimpulsen einer Dauer zwischen 1 und 5 ms und einer absoluten Druckhöhe von etwa 1000 bis 8000 bar geprüft) Konstanz der Bewegungsverhältnisse zwischen Kolben und Dichtung angenommen und davon abgesehen eine dichte und reibungsarme Durchführung des Kolbens sichergestellt werden.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich des aus der Meßkammer herausstehenden Endes des Kolbens eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung für das Fallgewicht angeordnet, welche insbesondere eine vom 15 Fallgewicht berührungslos ausgelöste Lichtschranke aufweist. Diese Ausgestaltung dient einer genaueren Bestimmung der tatsächlich auf den Kolben und damit auf die Flüssigkeit einwirkenden kinetischen Energie, welche prinzipiell aber auch einfach über die Umrechnung der Fallhöhe erfolgen könnte.

Die Führungseinrichtung für das Fallgewicht kann nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit Führungsschienen zusammenwirkende, an sich bekannte, selbstzentrierende Luftlager zur 20 Reduzierung der Reibung aufweisen, was eine reproduzierbare Erzeugung von bestimmten Geschwindigkeiten des Fallgewichtes erleichtert.

An der Führungseinrichtung können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise mittels Rasten definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht vorgegeben sein, was die reproduzierbare Bereitstellung bestimmter kinetischer Energien erleichtert. 25 Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Innenvolumen der Meßkammer mit einer Füllvorrichtung für die Flüssigkeit in Verbindung stehen, wobei die Füllvorrichtung einen Anschlagteil für den Kolben aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs-Innenvolumens erlaubt. Die Verbindung dieser Füllvorrichtung mit der Meßkammer kann entweder während der eigentlichen Druckbeaufschlagung derselben überhaupt entfernt sein oder aber durch ein geeignetes Rückschlagventil oder dergleichen unterbrochen 30 werden. Für die Flüssigkeit in der Meßkammer gelten im wesentlichen nur die folgenden Voraussetzungen: Sie darf bei hohen Drücken (bis zu 8 kbar und darüber) nicht fest werden, soll möglichst lineare Kompressibilitätscharakteristik aufweisen, soll auch bei hohen Drücken die Schmierfähigkeit nicht verlieren und schließlich zufolge einer entsprechenden Zähflüssigkeit eine einfache Abdichtung der Meßkammer ermöglichen. 35 Besonders geeignet haben sich unter diesen Voraussetzungen insbesondere Glycerin oder Methylalkohol erwiesen; prinzipiell sind aber auch verschiedene andere bekannte Flüssigkeiten einsetzbar.

Es kann weitere eine Entgasungseinheit für die Flüssigkeit vorgesehen werden, welche eine blasenfreie Zuführung über die Fülleinrichtung sicherstellt. Damit sind besser reproduzierbare Rand- bzw. Anfangsbedingungen in der Meßkammer ermöglicht, was ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit der über die 40 Druckimpulse möglichen Aussagen beiträgt. Als Entgasungseinheit kommen dabei entweder Vorrichtungen in Betracht, welche die Meßkammer beim Einfüllen der Flüssigkeit bzw. beim Einbau verschiedener Drucksensoren oder sonstiger, mit der Flüssigkeit in Berührung kommender Teile so ausrichten, daß eventuelle Luftblasen nach oben entweichen können, oder aber Anordnungen, die etwa über eine chemische Vorbehandlung der mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Oberflächen, oder über Ultraschall od. dgl. ein Anhaften von Luftblasen an 45 derartigen Oberflächen verhindern.

Die das Fallgewicht tragenden Teile der Einrichtung können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gegenüber dem Kolben elektrisch isoliert sein, wobei weiters eine Zeitmeßeinheit vorgesehen ist, welche leitend mit Fallgewicht und Kolben verbunden ist und zur Bestimmung der Kontaktzeit dieser Teile dient. Damit ist - wie obenstehend bereits angesprochen - eine Kontrolle der z. B. über einen Druckaufnehmerausgang 50 zugänglichen Druckimpulsdauer möglich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Durchtrittsöffnung des Kolbens in der Mitte der oberen Begrenzung der Meßkammer liegt, und daß der/die Drucksensor(en) zumindest annähernd symmetrisch dazu angeordnet ist bzw. sind, womit sich einfachere Verhältnisse im Hinblick auf die Ausbreitung der Druckimpulse in der Flüssigkeit ergeben. 55 Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile des Drucksystems einer erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 zeigt einen Feder-Masseschwinger, Fig. 3 zeigt den Verlauf des Druckes p bzw. Schwingweges x aufgetragen über der Zeit t bei den idealisiert betrachteten Einrichtungen nach Fig. 1 und 2, Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf x(t) des Schwingweges jeweils für die erste halbe Periode der Schwingung eines Schwingsystems mit Ein-Massenschwinger mit nicht-60 linearem Feder- bzw. Dämpfungsverhalten; eine derartige Anordnung ist in Fig. 5 mit den wesentlichen Parametern dargestellt, Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Einrichtung nach Fig. 6 entlang des Pfeiles (VII) in Fig. 6, Fig. 8 -4-

Nr. 390 513 zeigt einen Schnitt durch die Meßkammer der Einrichtung nach den Fig. 6 und 7 in vergrößertem Maßstab, Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 entsprechende Darstellung einer anders ausgebildeten Meßkammer, Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch das Fallgewicht einer anderen Ausführung nach der Erfindung im Bereich der Führungsschienen und Fig. 11 zeigt eine teilweise Ansicht einer weiteren Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung während dem Auffüllen mit Flüssigkeit.

Am Beispiel der Hochdruckindizierung - insbesondere etwa wesentlich im Zusammenhang mit der Messung der Druckentwicklung im Pulverraum einer Patronenhülse nach dem Auslösen des Schusses - kann gezeigt werden, wie mit einem kalten Druckstoß die Druckentwicklung im Pulverraum der Patronenhülse mechanisch simuliert werden kann und unter welchen Voraussetzungen dieser Druckstoß mathematisch bzw. absolut erfaßbar ist. Für den Druckverlauf beim Schuß - sehr schnelle Kompression; 0,5 bis einige msek auf Druckspitzen bis zu einigen kbar ergibt sich für die genannte Kompressionsphase eine Kurve, die zumindest in erster Näherung mit dem Verlauf einer harmonischen Funktion (Sinus-Halbperiode) verglichen werden kann. Ein harmonischer Bewegungsablauf wird mechanisch beispielsweise mit einem Feder-Masseschwinger, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, erzeugt. Mit der Verwendung eines in entsprechenden Grenzen kompiessiblen Mediums (hier der Flüssigkeit) als Feder sowie eines Kolbens anstelle der Schwingmasse m, der diese Feder in einer abgeschlossenen Meßkammer zusammengedrückt, kann die dem Schwingweg x(t) proportionale Federkraft über den Kolbenquerschnitt A in Druck umgesetzt werden - siehe Fig. 1. Der in Fig. 3 dargestellte Verlauf des Druckes p über der Zeit entsteht, wenn die Flüssigkeit (also das Druckübertragungsmedium) von der "Schwingmasse" mit der Anfangsgeschwindigkeit va komprimiert wird, wobei gilt va=x(t = 0).

Mit dem in Fig. 1 dargestellten "Drucksystem" können also abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit va, Kompressibilität K des Druckübertragungsmediums bzw. der Flüssigkeit mit dem Ausgangsvolumen V, Kolbenquerschnitt A und Kolbenmasse m Druckstöße bzw. hydrodynamische Druckimpulse mit verschieden hoher Amplitude und Dauer erzeugt werden, die zumindest mit dem Anstieg des Gasdrucks im Pulverraum einer Patronenhülse vergleichbar und mathematisch im Idealfall wie der Feder-Masseschwinger behandelbar sind. Insbesondere gilt dabei nach dem oben Gesagten die Beziehung c. x(t) p(t) =-

A wobei c hier praktisch die von Kompressibilität K und Volumen V abhängige Federkonstante des Drucksystems darstellt.

Der schematisch dargestellte Ein-Massenschwinger nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem Schwingsystem nach Fig. 2 im wesentlichen durch die hier nun mitberücksichtigte Dämpfung, die im vorliegenden Falle abhängig von der Kolbengeschwindigkeit ist und im wesentlichen ausschließlich von der Reibung in der vom Kolben verdrängten Flüssigkeit herrührt. Bei angenommenen unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten (val < Vg2< v^) entstehen - wie aus Fig. 4 ersichtlich ist - unterschiedlich hohe Maximalamplituden und auch ein zeitlich unterschiedlicher Verlauf des Druckimpulses, da die geschwindigkeitsabhängige Dämpfung sich sowohl beim Druckaufbau als auch bei der Entlastung verzögernd auswirkt (siehe Fig. 5).

Die Einrichtung nach den Fig. 6 und 7 dient zur Bereitstellung eines definierten hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählbarer Dauer und Amplitude und besteht im wesentlichen aus einer weitgehend starr begrenzten Meßkammer (1), die eine von der Meßkammer umschlossene Flüssigkeit enthält, sowie einer Kompressionseinrichtung (2) zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer (1) und einem hier nicht weiter dargestellten Drucksensor, der den in der Flüssigkeit der Meßkammer (1) auftretenden zeitlichen Druckverlauf relativ verfolgen kann. Die Meßkammer (1) weist eine abgedichtete Durchtrittsöffnung (3) in ihrer Begrenzung auf, in der ein von außen dynamisch betätigbarer Kolben (4) der Kompressionseinrichtung (2) durchgeführt ist. Die Kompressionseinrichtung (2) weist weiters ein Fallgewicht (5) bestimmter Masse auf, welches an einer Führungseinrichtung (6) geführt ist und mit dem Kolben (4) zusammenwirkt.

Die Führungseinrichtung (6) der Kompressionseinrichtung (2) umfaßt hier zwei vertikale Säulen bzw. Führungsschienen (7), die ebenso wie die Meßkammer (1) selbst auf einer Grundplatte (8) aufstehen und an ihrem oberen Ende über ein entsprechendes Querhaupt (9) gehalten werden. Weiters ist ein Ständer (7*) vorgesehen, der ebenso zwischen Grundplatte (8) und Querhaupt (9) angeordnet ist Die Führungseinrichtung (6) für das Fallgewicht (5) kann dabei - wie aus Fig. 10 ersichtlich ist - mit den Führungsschienen (7) zusammenwirkende, selbstzentrierende Luftlager (10) zur Reduzierung der Reibung bei der Relativbewegung zwischen Fallgewicht (5) und Führungsschienen (7) aufweisen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist sind an der Führungseinrichtung (6) bzw. am Ständer (7') mittels Rasten (11) definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht (5) bzw. den Halter (5*) vorgegeben, die auch im Zusammenhang mit der genannten reibungsarmen Lagerung die Einhaltung von in bestimmten Grenzen reproduzierbaren Werten für die Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichts (5) auf den Kolben (4) und damit für die über den Kolben (4) übertragbare kinetische Energie -5-

Claims (16)

1. Nr. 390 513 erlauben. Am Haller (5') kann auf hier nicht dargestellte Weise z. B. eine elektromagnetisch betätigte Halte- und Auslösevorrichtung für das Fallgewicht (5) vorgesehen werden. Zur genauen Bestimmung der Auftreffgeschwindigkeit und damit der kinetischen Energie dient - wie aus Fig. 7 ersichtlich - eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (12) im Bereich des aus der Meßkammer (1) herausstehenden Endes des Kolbens (4), welche im dargestellten Falle berührungslos, beispielsweise mittels Lichtschranken, arbeitet und die Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichtes (5) bestimmt. Nicht dargestellt in Fig. 6 und 7 sind weitere Zusatzeinrichtungen, wie etwa eine erforderliche elektronische Auswerteeinheit, Verbindungskabel und dergleichen, da diese Teile für das Verständnis der Erfindung nicht wesentlich sind. In den Fig. 8 und 9 sind Ausführungen von Meßkammern (1) näher dargestellt, die sich im wesentlichen nur dadurch unterscheiden, daß in Fig. 8 keine Drucksensoren an der inneren Begrenzung (13) der Meßkammer (1) angeordnet sind, wogegen bei der Ausführung nach Fig. 9 zwei Drucksensoren (14) symmetrisch in die Meßkammer (1) bzw. deren die Flüssigkeit aufnehmenden hmemaum (15) ragen. In beiden Ausführungen nach Fig. 8 und 9 ist eine reibungsarme, druckkompensierte Dichtung (16) an der Durchtrittsöffnung (3) für den Kolben (4) vorgesehen, die an der dem Innenraum (15) der Meßkammer (1) zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz (17) konzentrisch zum Kolben (4) aufweist. Die Dimensionen dieses ringförmigen Ansatzes (17) - also seine Erstreckung in axialer Richtung, sein Innendurchmesser und sein Außendurchmesser -sind zusammen mit der Werkstoffwahl der Dichtung so aufeinander abgestimmt, daß der Dichtspalt (18) zum Kolben (4) im auftretenden Druckbereich zumindest weitgehend konstant bleibt, was dadurch ermöglicht wird, daß der bei höheren Drücken an sich größer werdende Dichtspalt (18) durch die außen auf den Ansatz (17) wiikenden Radialkräfte zusammengedrückt wird. Aus Fig. 11 ist schließlich noch eine Füllvorrichtung (19) ersichtlich, die auf hier nicht weiter dargestellte Weise mit dem Innenraum der Meßkammer (1) in Verbindung steht und einen Anschlagteil (20) für den Kolben (4) aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs-Innenvolumens der Meßkammer (1) erlaubt. In dieser Füllvorrichtung (19) bzw. auch separat davon könnte noch eine hier nicht dargestellte Entgasungseinheit für die Flüssigkeit vorgesehen sein, welche eine blasenfreie Zuführung über die Füllvorrichtung (19) zum Innenraum der Meßkammer (1) sowie u. U. auch eine blasenfieie Benetzung der Oberfläche sicherstellt. Das Fallgewicht (5) bzw. die damit in Berührung stehenden Teile der Einrichtung könnten weiters auch auf nicht weiter dargestellte Weise gegenüber dem Kolben (4) elektrisch isoliert und über Verbindungsleitungen mit einer Zeitmeßeinheit verbunden sein. Damit könnte auf sehr einfache Weise die tatsächliche Kontaktzeit zwischen Fallgewicht und Kolben bestimmt werden, die im idealisiert betrachteten Fall der Dauer des jeweils ausgelösten Druckimpulses entspricht und damit als Kontrolle bzw. auch zur Korrektur verwendet werden kann. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Bereitstellung eines hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählbarer Dauer und Amplitude, wobei eine von einer Meßkammer umschlossene Flüssigkeit dynamisch komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definition des absoluten Druckimpulses - die im abgeschlossenen Innenvolumen der Meßkammer befindliche Flüssigkeit mittels eines von außen dynamisch betätigbaren Kolbens beeinflußt wird, - die auf den Kolben und von diesem auf die Flüssigkeit übertragene kinetische Energie ermittelt wird, - der zugehörige zeitliche Verlauf des Druckimpülses erfaßt wird, - die relevanten Feder- und Dämpfungscharakteristiken des Drucksystems aus der vom Kolben übertragenen kinetischen Energie und dem erfaßten zeitlichen Druckverlauf ermittelt werden und - daraus auf den Verlauf des absoluten Druckimpulses geschlossen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben von einem Fallgewicht vorgegebener Masse betätigt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der Federcharakteristik c und der Dämpfungscharakteristik d Kolben und Fallgewicht zusammen als eine Masse betrachtet werden, welche in Abhängigkeit von Feder- und Dämpfungscharakteristik schwingt -6- Nr. 390 513
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß hei gleichbleibender Masse des Fallgewichtes mehrere Druckimpulse in zeitlicher Aufeinanderfolge und mit unterschiedlicher Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichtes ausgelöst werden, welche damit unterschiedliche zeitliche Breiten und Amplitudenhöhen aufweisen, und daß aus den so punktweise ermittelten Federkonstanten cj und Dämpfungskonstanten dj die Federcharakteristik c und die Dämpfungscharakteristik d ermittelt werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der auf den Kolben übertragenen kinetischen Energie die Geschwindigkeit des Fallgewichts unmittelbar vor der Zusammenwirkung mit dem Kolben ermittelt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zusammenwirkung zwischen Fallgewicht und Kolben bestimmt und zur Kontrolle bzw. Korrektur der zeitrichtigen Erfassung des Druckimpulses verwendet wird.
7. 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer weitgehend starr begrenzten Meßkammer, einer von dieser umschlossenen Flüssigkeit, sowie einer Kompressionseinrichtung zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (1) zumindest eine abgedichtete Durchtrittsöffnung (3) in der oberen Begrenzung, in der ein von außen dynamisch betätigbarer Kolben (4) der Kompressionseinrichtung (2) geführt ist, sowie einen, gegebenenfalls unter Einbeziehung seiner Ausgangssignale auch unmittelbar absolut dynamisch kalibrierbaren Drucksensor (14) aufweist, und daß die Kompressionseinrichtung (2) weiters ein Fallgewicht (5) bestimmter Masse aufweist, welches an einer Führungseinrichtung (6) geführt ist und mit dem Kolben (4) zusammenwirkt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (3) für den Kolben (4) an der Meßkammer (1) mit einer an sich bekannten reibungsarmen, druckkompensierten Dichtung (16) gegen den Kolben (4) versehen ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (16) an der dem Innenraum (15) der Meßkammer (1) zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz (17) konzentrisch zum Kolben (4) aufweist, dessen innere Weite einen weitgehend konstanten Dichtspalt (18) zum Kolben (4) im auftretenden Druckbereich bestimmt.
10. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des aus der Meßkammer (1) herausstehenden Endes des Kolbens (4) eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (12) für das Fallgewicht (5) angeordnet ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (12) eine vom Fallgewicht (5) berührungslos ausgelöste Lichtschranke aufweist.
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (6) für das Fallgewicht (5) mit Führungsschienen (7) zusammenwirkende, an sich bekannte selbstzentrierende Luftlager (10) zur Reduzierung der Reibung aufweist.
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Führungseinrichtung (6), z. B. mittels Rasten (11) definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht (5) vorgegeben sind.
14. 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (15) der Meßkammer (1) mit einer Füllvorrichtung (19) für die Flüssigkeit in Verbindung steht, wobei die Füllvorrichtung (19) einen Anschlagteil (20) für den Kolben (4) aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs-Innenvolumens erlaubt
15. 15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die das Fallgewicht (5) tragenden Teile (6, 7) der Einrichtung gegenüber dem Kolben (4) elektrisch isoliert sind und daß eine Zeitmeßeinheit vorgesehen ist, welche leitend mit Fallgewicht (5) und Kolben (4) verbunden ist und zur Bestimmung der Kontaktzeit dieser Teile dient -7- Nr. 390 513
16. 16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffhung (3) des Kolbens (4) in der Mitte der oberen Begrenzung der Meßkammer (1) liegt, und daß der/die 5 Drucksensor(en) (14) zumindest annähernd symmetrisch dazu angeordnet ist bzw. sind. 10 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -8-