DD277522A1

DD277522A1 - FUEL SENSOR WITH HYDRAULIC TRANSMISSION

Info

Publication number: DD277522A1
Application number: DD32247688A
Authority: DD
Inventors: Roland Braun; Peter Otto; Albert Schwarz; Michael Naumann; Mirko Wolf
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1990-04-04

Abstract

Ein Kraftsensor fuer den Einsatz unter extremen Bedingungen wie die Messung hoher Kraefte bei hohen Druecken und hohen Temperaturen wird beschrieben. Erfindungsgemaess wird der Kraftsensor, der wie prinzipiell alle Kraftsensoren aus einem Verformungs- und einem Sensorelement besteht, raeumlich in beide Teile getrennt. Das Verformungselement befindet sich an der Stelle der Kraftmessung und besteht aus einem doppelwandigen Behaelter, zwischen beiden Behaeltern befindet sich ein Gasspalt, waehrend der Innenbehaelter mit einer Fluessigkeit gefuellt ist. Die Kraftmessung beruht auf der Verdraengung dieser Fluessigkeit. Ausserhalb der Kammer unter Normalbedingungen ist das Sensorelement angeordnet, das die verdraengte Fluessigkeitsmenge, die der Kraft proportional ist, detektiert. Fig. 1A force sensor for use under extreme conditions such as the measurement of high forces at high pressures and high temperatures is described. According to the invention, the force sensor, which in principle consists of all the force sensors of a deformation element and a sensor element, is spatially separated into both parts. The deformation element is located at the point of force measurement and consists of a double-walled container, between both containers is a gas gap, while the inner container is filled with a liquid. The force measurement is based on the displacement of this liquid. Outside the chamber under normal conditions, the sensor element is arranged, which detects the displaced amount of liquid, which is proportional to the force. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

field of use

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, der für die Messung hoher Kräfte unter extremen Bedingungen wie hoher Druck und hohe Temperatur z. B. in der Karmän-Kammer geeignet ist.The invention relates to a force sensor for the measurement of high forces under extreme conditions such as high pressure and high temperature z. B. in the Karmän chamber is suitable.

Characteristic of the known technical solutions

Bekannte technische Lösungen sind in der einschlägigen und Patentliteratur in großer Anzahl beschrieben. Es handelt sich dabei um Kraftsensoren, die mit Hilfe eines Verformungskörpers und eines Sensorelementes, die beide auch in einem Bauelement realisiert sein können, die Verformungen direkt in elektrische Signale umwandeln. Im Speziellen werden hydraulische und pneumatische Kraftsensoren beschrieben, bei denen das Verformungs- und das Sensorelement voneinander räumlich getrennt und durch eine hydraulische bzw. pneumatische Übertragung miteinander verbunden sind (DD 147281, DD 54502, DE 1926994, DE 2014670, DE 2037060, DE 2004315, DE 2331399, DE 2421350, DE 2834134, DE 2917363, US 3933034, US 3978722, US 4198857, US 4494412, US 4546657, US 4563906). Je nach Auslegung des Verformungskörpers, der sich an der Stelle der zu messenden Kraft befindet, können unterschiedlich große Kräfte gemessen werden. Das Sensorelement befindet sich dabei unter Umständen weit von der Kraftmeßstelle entfernt.Known technical solutions are described in the relevant and patent literature in large numbers. These are force sensors which, with the aid of a deformation body and a sensor element, both of which can also be realized in one component, convert the deformations directly into electrical signals. In particular, hydraulic and pneumatic force sensors are described in which the deformation and the sensor element are spatially separated from each other and connected by a hydraulic or pneumatic transmission (DD 147281, DD 54502, DE 1926994, DE 2014670, DE 2037060, DE 2004315, DE 2331399, DE 2421350, DE 2834134, DE 2917363, US 3933034, US 3978722, US 4198857, US 4494412, US 4546657, US 4563906). Depending on the design of the deformation body, which is located at the location of the force to be measured, different sized forces can be measured. Under certain circumstances, the sensor element is located far away from the force measuring point.

Nachteilig bei allen diesen Lösungen macht sich jedoch bemerkbare daß sie für den Einsatz unter gleichzeitig auftretendem hohem Außendruck auf den Kraftsensor und hoher Temperatur ungeeignet sind. Die bekannten technischen Lösungen weisen keine Kompensation bzw. Berücksichtigung hoher Außendrücke auf, was unter diesen Bedingungen zu Meßfehlern führt.A disadvantage of all these solutions, however, noticeable that they are unsuitable for use under the simultaneous occurrence of high external pressure on the force sensor and high temperature. The known technical solutions have no compensation or consideration of high external pressures, which leads to measurement errors under these conditions.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, einen Kraftsensor für hohe Kräfte vorzuschlagen, der unter hohem Druck und hoher Temperatur einsetzbar ist. Dieser Sensor ermöglicht z. B. bei komplexen Gesteinsuntersuchungen in der Kärmän-Kammer Messungen mit höherer Genauigkeit. Dadurch sind Aussagen zu Fragen der Bohrlochsicherhett, der Standortsicherheit im untertägigen Bergbau, der Lagerstättenerkennung und der geophysikalischen Grundlagenforschung mit höherer Wertigkeit zu erzielen.The aim of the invention is to propose a force sensor for high forces, which can be used under high pressure and high temperature. This sensor allows z. For example, in complex rock investigations in the Karmän chamber measurements with higher accuracy. This makes it possible to obtain statements on questions of borehole safety, site safety in underground mining, reservoir identification and basic geophysical research with a higher value.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor zu entwickeln, der von äußeren Druck- und Temperatureinflüssen weitestgehend entkoppelt ist.The invention has for its object to develop a force sensor, which is largely decoupled from external pressure and temperature influences.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Kraftsensor mit hydraulischer Übertragung zwischen Verformungskörper und Sensorelement einen doppelwandigen Verformungskörper besitzt. Diese Verformungskörper - vorzugsweise zwei konzentrische Hohlzylinder-sind durch einen Spalt voneinander getrennt, derein Gas mit atmosphärischem oder geringerem Druck enthält. Der Innenzylinder ist mit einer Sensorflüssigkeit gefüllt. Beide Zylinder sind mit zwei gemeinsamen Stirnflächen versehen, die sowohl die innere Sensorflüssigkeit gegen den Spalt als auch diesen gegen die Umgebung abdichten. An einer beliebigen Stelle des Innenzylinders (z. B. in einer Stirnfläche im Bereich des Innenzylinders) befindet sich eine Bohrung, durch die die Sensorflüssigkeit des Innenzylinders ein- oder austreten kann und über eine Rohrleitung zum Sensorelement gelangt.The essence of the invention is that the force sensor with hydraulic transmission between the deformation body and the sensor element has a double-walled deformation body. These deformation bodies - preferably two concentric hollow cylinders - are separated by a gap containing a gas at atmospheric or lower pressure. The inner cylinder is filled with a sensor liquid. Both cylinders are provided with two common end faces, which seal both the inner sensor fluid against the gap and this against the environment. At any point of the inner cylinder (eg, in an end face in the region of the inner cylinder) is a bore through which the sensor liquid of the inner cylinder can enter or exit and pass through a pipeline to the sensor element.

Zusätzlich weist der Kraftsensor eine Temperaturkompensation auf. Diese wird dadurch erreicht, daß sich innerhalb des Innenzylinders ein Bauelement befindet, das aufgrund seiner Wärmedehnung die Wärmedehnungen der Sensorteile und der -flüssigkeit und die somit resultierende Volumenänderung ausgleicht. Vorzugsweise besteht dieses Bauelement aus einem Faltenbalg, der durch ein temperaturabhängiges Verformungselement eine Volumenänderung des Raumes der Sensorflüssigkeit bewirkt.In addition, the force sensor has a temperature compensation. This is achieved in that a component is located within the inner cylinder, which compensates for the thermal expansion of the sensor parts and the liquid and the resulting change in volume due to its thermal expansion. Preferably, this component consists of a bellows which causes a volume change of the space of the sensor liquid by a temperature-dependent deformation element.

Bei Funktion des Kraftsensors ist dessen Innenzylinder einschließlich der sich daran anschließenden Bohrung und Rohrleitung bis zum Sensorelement mit der Sensorflüssigkeit gefüllt. Eine zu messende Kraft verursacht eine axiale Verformung beider Zylinder, woraus eine Volumenänderung resultiert. Das durch die Bohrung verdrängte Flüssigkeitsvolumen ist der zwischen den Stempeln wirkenden Kraft proportional. Am Sensorelement, das kapazitiv, induktiv, optisch oder ähnlich arbeiten kann, wird das verdrängte Flüssigkeitsvolumen vorzugsweise in Form einer Wegänderung gemessen.When the force sensor functions, its inner cylinder, including the adjoining bore and pipeline, is filled up to the sensor element with the sensor liquid. A force to be measured causes an axial deformation of both cylinders, resulting in a change in volume. The volume of fluid displaced by the bore is proportional to the force acting between the punches. On the sensor element, which can operate capacitively, inductively, optically or similarly, the displaced liquid volume is preferably measured in the form of a path change.

Der Kraftsensor ist aufgrund seines erfindungsgemäßen Aufbaus unter hohem Außendruck anwendbar. Dieser wirkt auf den Außenzylinder und deformiert diesen axial und radial.The force sensor is applicable due to its construction according to the invention under high external pressure. This acts on the outer cylinder and deforms it axially and radially.

Sowohl die radiale als auch die axiale Deformation infolge Außendruck treten aufgrund des Gasspalts nur beim Außenzylinder auf, so daß keine Flüssigkeit durch den Außendruck verdrängt und das Meßsignal nicht beeinflußt wird.Both the radial and the axial deformation due to external pressure occur due to the gas gap only in the outer cylinder, so that no liquid displaced by the external pressure and the measurement signal is not affected.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors in Form eines vorzugsweise Doppelhohlzylinders mit dazwischenliegendem Gasspalt werden Fehler durch den Druck innerhalb der Druckkammer vermieden. Darüber hinaus kann der Sensor wegen der vorhandenen Temperaturkompensation auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist die Richtungsunabhängigkeit.Due to the inventive design of the sensor in the form of a preferably double hollow cylinder with intermediate gas gap errors are avoided by the pressure within the pressure chamber. In addition, the sensor can be used because of the existing temperature compensation even at high temperatures. Another great advantage of the sensor according to the invention is the directional independence.

embodiment

Fig. 1: Prinzipielle Darstellung des Kraftsensors mit außerhalb der Druckkammer befindlichen Sensorelement Fig. 2: Prinzipielle Darstellung möglicher Varianten der TemperaturkompensationFig. 1: Schematic representation of the force sensor with sensor element located outside the pressure chamber Fig. 2: Schematic representation of possible variants of the temperature compensation

Fig.3: Prinzipielle Darstellung des Kraftsensors mit außerhalb der Druckkammer befindlicher Temperaturkompensation und Sensorelement3 shows a schematic representation of the force sensor with temperature compensation located outside the pressure chamber and sensor element

Embodiment 1

Bei der Realisierung des Kraftsensors (Fig. 1) befindet sich innerhalb einer Druckkammer 1 zwischen zwei Stempeln 2; 3 der Verformungskörper bestehend aus den konzentrischen Hohlzylindern 4; 5, dem Spalt 6 zwischen dem Außen- 5 und Innenzylinder 4 gefüllt mit Gas, der Flüssigkeitsfüllung 7 des Innenzylinders 4 und den ebenen Stirnflächen der beiden Zylinder 8; 9. In der oberen Stirnfläche 8 befindet sich eine kleine Bohrung 10, die nur innerhalb des Innenzylinders angeordnet sein darf. Diese Bohrung 10 wird im Stempel 2 geführt und gelangt auf diese Weise zu einer Rohrleitung 11 außerhalb der Druckkammer 1.In the realization of the force sensor (Figure 1) is located within a pressure chamber 1 between two punches 2; 3 of the deformation body consisting of the concentric hollow cylinders 4; 5, the gap 6 between the outer 5 and inner cylinder 4 filled with gas, the liquid filling 7 of the inner cylinder 4 and the flat end faces of the two cylinders 8; 9. In the upper end face 8 is a small bore 10, which may be located only within the inner cylinder. This bore 10 is guided in the punch 2 and arrives in this way to a pipe 11 outside the pressure chamber. 1

Die Rohrleitung 11 endet in einem Gehäuse 12, an dem mit Hilfe eines Anpreßringes 13 eine gewellte, konzentrische Membran 14 befestigt ist. Die Membran 14 ist über die Kolbenstange 15 mit dem Kolben 16 verbunden. Auf der anderen Seite der Membran 14 befindet sich ein Spiegel 17, der als reflektierendes Objekt für einen faseroptischen Reflexsensor 10 dient. Es ist jedoch auch jeder andere denkbare Wegsensor anwendbar.The pipe 11 terminates in a housing 12 to which a corrugated concentric membrane 14 is attached by means of a pressure ring 13. The membrane 14 is connected to the piston 16 via the piston rod 15. On the other side of the membrane 14 is a mirror 17, which serves as a reflective object for a fiber optic reflex sensor 10. However, any other conceivable displacement sensor is applicable.

So kann z. B. die Membran 14 die Mittelplatte eines Differenztialkondensators sein, oder sie kann Dehnmeßstreifen tragen. Bei Funktion des Kraftsensors wird die zu messende Kraft über die Stempel 2; 3 eingeleitet, wodurch ein der Kraft proportionales Flüssigkeitsvolumen verdrängt wird. Dieses Volumen gelangt über die Bohrung 10 in die Rohrleitung 11 und verschiebt den Kolben 16. Die daraus resultierende Abstandsänderung zwischen dem Spiegel 17 und den Fasern des faseroptischen Reflexsensor 18 ist der wirkenden Kraft proportional.So z. Example, the membrane 14 may be the middle plate of a Differenztialkondensators, or they may wear strain gauges. When the force sensor function, the force to be measured on the stamp 2; 3 introduced, whereby a force proportional to the volume of fluid is displaced. This volume passes through the bore 10 in the pipe 11 and displaces the piston 16. The resulting change in distance between the mirror 17 and the fibers of the fiber optic reflex sensor 18 is proportional to the acting force.

Bei einem Außendurchmesser des Außenzylinders 5 von 50 mm bei einer Wandstärke von 8 mm, sowie einem Innenzylinder 4 mit einem Außendurchmesser von 30mm und einer Wandstärke von 1 mm ergibt eine zwischen den Stempeln wirkende Kraft von 1,4MN bei einer LÄnge der Zylinder 4; 5 von 10 mm ein verdrängtes Flüssigkeitsvolumen von etwa 30 mm³. Ein auf den Kraftsensor in radialer Richtung wirkender Außendruck von 200 MPa erzeugt am Sensorelement keinen meßbaren Ausschlag. Der Kraftsensor ist bei hohen Temperaturen einsetzbar, wofür eine Temperaturkompensation zur Anwendung kommt (Fig. 2). Wird Aluminium als Material für den Innenzylinder 4 und Quecksilber als Sensorflüssigkeit 7 eingesetzt, so ist bei einer Erwärmung die Volumenänderung des Quecksilbers größer als die des Innenzylinders 4. Die Temperaturkompensation muß also eine Volumenvergrößerung des Raumes der Sensorflüssigkeit 7 bewirken. Erreicht wird dieses durch einen im Innenzylinder 4 befindlichen Faltenbalg bzw. eine Wellmembran 24, der durch einen Ausdehnungskörper mit positivem 25 (Fig. 2 a) oder negativem 26 (Fig. 2 b) linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten verformt wird. Denkbar ist ebenso die Anordnung eines Ausdehnungskörpers mit negativem Volumenausdehnungskoeffizienten 27 innerhalb des Innenzylinders 4 (Fig.2c).With an outer diameter of the outer cylinder 5 of 50 mm with a wall thickness of 8 mm, as well as an inner cylinder 4 with an outer diameter of 30 mm and a wall thickness of 1 mm results in a force acting between the punches of 1.4MN at a length of the cylinder 4; 5 of 10 mm a displaced liquid volume of about 30 mm ³ . An external pressure of 200 MPa acting on the force sensor in the radial direction does not generate any measurable deflection on the sensor element. The force sensor can be used at high temperatures, for which a temperature compensation is used (FIG. 2). If aluminum is used as the material for the inner cylinder 4 and mercury as the sensor liquid 7, the volume change of the mercury is greater than that of the inner cylinder 4 when heated. The temperature compensation must therefore increase the volume of the sensor liquid 7. This is achieved by a bellows located in the inner cylinder 4 or a corrugated membrane 24, which is deformed by an expansion body with a positive coefficient of linear expansion (FIG. 2 a) or negative 26 (FIG. 2 b). It is also conceivable the arrangement of an expansion body with a negative volume expansion coefficient 27 within the inner cylinder 4 (Fig.2c).

Embodiment 2

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) bleibt der Aufbau des Kraftsensors und dessen Funktionsweise unverändert. Lediglich die der Temperaturkompensation dienenden Bauelemente befinden sich wie das Sensorelement außerhalb der Druckkammer. Hierbei befindet sich an der Rohrleitung 11 ein zusätzlicher Behälter 19, dereinen Kolben 20 enthält. Dieser Kolben 20 wird vermittels eines Antriebs 22 und der Kolbenstange 21 bewegt, so daß eine Volumenveränderung des Raumes der Sensorflüssigkeit eintritt. Das Temperaturmeßelement 23 regelt in Abhängigkeit voln der Druckkammertemperatur den Antrieb 22. Dieser kann z. B. ein Schrittmotor, ein Bimetall mit Heizung oder ein ähnlicher Antrieb sein.In the second embodiment (Fig. 3), the structure of the force sensor and its operation remains unchanged. Only the temperature compensation components are located as the sensor element outside the pressure chamber. This is located on the pipe 11, an additional container 19, which contains a piston 20. This piston 20 is moved by means of a drive 22 and the piston rod 21, so that a volume change of the space of the sensor liquid occurs. The temperature measuring element 23 controls the drive 22 as a function of the pressure chamber temperature. As a stepper motor, a bimetal with heating or a similar drive.

Claims

1. force sensor with hydraulic transmission between the deformation body and the sensor element and temperature compensation, characterized in that the deformation body is on two nested containers with gas gap therebetween and two common, sealed end faces, wherein only the inner container filled with the transmission fluid and coupled to the sensor element is.

2. Force sensor according to claim 1, characterized in that the deformation body preferably consists of two nested, concentric hollow cylinders.

3. Force sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the sensor element is preferably embodied by a displacement sensor, wherein the displaced fluid volume moves a piston within the pipeline, which is connected by means of a piston rod with a membrane.

4. Force sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the temperature compensation is preferably realized by a bellows located in the inner container via an expansion body with a positive or negative linear thermal expansion coefficient.