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Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung und ein Verfahren zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Prüfeinrichtungen zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren sind bereits bekannt. Sie dienen unter anderem zum Dauertest und beschleunigtem Lebenszyklustest von Sensoren insbesondere im Hinblick auf Qualitätsprüfung und Qualitätssicherung.
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Dabei werden die Sensoren je nach Nenndruckbereich typischerweise mit pulsierenden Druckspitzen im Nenn und Überlastbereich getestet. Herkömmliche Standard-Hydraulikprüfanlagen und deren Komponenten welche zur Erzeugung von pulsierenden Druckspitzen notwendig sind, werden mittels speziellen schnell schaltenden Proportionalventilen realisiert. Diese Prüfanlagen sind allerdings lediglich bis zu einer Druckstufe von ca. 600 bar geeignet.
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Alternativ sind Prüfeinrichtungen erhältlich, die mittels Kaskadierung (mechanische Druckübersetzer über Kolbendurchmesser) Drücke über 600 bar erzeugen. Um solche Druckimpulse zu generieren wird bei diesen Anlagen der Niederdruck im Primärkreis getaktet.
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Diese Prüfeinrichtungen sind allerdings sehr ineffizient in Bezug auf den Energieverbrauch. Außerdem ist die Prüffrequenz (Taktrate) gering. Die einsetzbaren Prüfmedien sind ebenfalls sehr begrenzt, da eine Schmierung des Systems notwendig ist und eine nicht vermeidbaren Vermischung der Medien durch einen Dichtspalt zwischen dem Primär- und Sekundärkreis erfolgt.
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Auch ist die Einstellung der gewünschten Prüfdrucks bei herkömmlichen Prüfeinrichtungen sehr aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Prüfeinrichtung zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren bereit zu stellen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere einen erheblich geringeren Energieverbrauch hat, die einfach hohe Druckspitzen von bis zu 2000 bar generiert, die eine einfache Regelung der Druckspitzen ermöglicht, und die einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Prüfeinrichtung zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren bzw. das in Anspruch 9 angegebenen Verfahren.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, als Pumpenanordnung eine Plunger- oder Hubkolbenpumpe einzusetzen. Diese presst das Druckmedium in eine Druckkammer deren Volumen einstellbar ist. Der Maximalwert der Druckspitze hängt direkt vom Volumen der Druckkammer ab. Über eine Regel- und Auswerteeinheit kann das Volumen der Druckkammer variiert werden. Ein Drucksensor misst den aktuellen Systemdruck und wird über eine Steuereinheit bei Abweichungen von den Vorgabewerten entsprechend den Regelkorridoren bzw. Regelgrenzen nachgestellt.
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Die Druckkammer kann beim Anfahren der Testeinrichtung solange auf Durchlauf gestellt werden, bis eine komplette Entlüftung stattgefunden hat.
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Eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung hat eine erheblich geringere Leistungsaufnahme, da nur ein relativ kleines Volumen vorhanden ist, das zyklisch komprimiert werden muss.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzig dargestellte Figur zeigt eine erfindungsgemäße Prüfeinrichtung in sehr schematischer Darstellung.
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In einem Druckraum 6 werden mit Hilfe einer Plunger- oder Hubkolbenpumpen pulsierende Druckspitzen erzeugt. Hierzu ist die Druckkammer 6 mit einer entsprechenden Pumpe 4 verbunden. Das Volumen der Druckkammer 6 beträgt ca. 4 cl. An der Druckkammer sind ein Drucksensor 7 und weitere Sensoren 8a, 8b, 8c, die getestete werden sollen, angeordnet. Der Drucksensor 7 dient zur Erfassung und Regelung des Drucks in der Druckkammer 6. Alle Sensoren 7, 8a, 8b, 8c sind mit einer Auswerte- und Steuereinheit 20 verbunden.
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Das Medium das der Pumpe 4 zugeführt wird steht unter einem Vordruck, der von einer Speisepumpe 1 generiert wird.
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Das Volumen der Druckkammer 6 kann über einen Kolben 9a, der über ein Verstellglied bestehen aus Verstellspindel 10, die von einem Spindelantrieb 11 betätigt wird, variiert werden. Der Spindelantrieb 11 ist mit der Steuer- und Auswerteeinheit 20 (z.B. SPS) verbunden. Mit dieser Prüfeinrichtung können Lebensdauertests durch dynamische Druckwechsel als Qualitätsmerkmal für die Genauigkeits- und Festigkeitsangaben von Drucksensoren überprüft werden. Sie dient der Erzeugung von Prüf- bzw. Lastprofilen zum definierten Belasten von Prüflingen mit sinusförmigen Druckverläufen. Der Prüfdruck wird mittels der Plungerpumpe bzw. Hubkolbenpumpe erzeugt. Die Einrichtung ist für den Betrieb mit Leitungswasser oder demineralisiertem Wasser ausgelegt. Der Ablauf bzw. die Prüfprofile bestehend aus Druckhöhe, Prüffrequenz; Pausezeiten und Anzahl der Lastspiele werden der Auswerte- und Steuereinheit 20, z. B. eine SPS in eine Prüfmaske eingegeben. Die Prüfprofile werden innerhalb der SPS abgespeichert. Die Solldruckvorgabe wird über die SPS eingegeben und durch entsprechende Ausgabemodule mittels eines mechanischen Stellgliedes zur Prüfraumvolumenänderung geregelt.
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Über Mehrfachadaptionen bzw. Adapter können bis zu 21 Prüflinge gleichzeitig getestet werden.
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Nachfolgend ist die Funktion der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung näher erläutert. Die zu testenden Sensoren 8a, 8b, 8c werden vor dem Beginn eines Tests an die Druckkammer 6 angeschraubt.
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Vor dem eigentlichen Testbeginn wird der Kolben 9 in einen Bereich hochgezogen, in dem eine automatische Entlüftung ermöglicht wird. Am Anfang eines Tests muss der Maximalwert des Druckes eingestellt oder über zentrale Steuerung z. B. eine SPS eingegeben werden. Hierfür wird bei laufender Pumpe 4 der Kolben 9 langsam nach unten verfahren, um eine Volumenverringerung zu erreichen. Der Druck in der Druckkammer wird dabei von der Steuer- und Auswerteeinheit 20 mittels des Drucksensors 7 überwacht. Ist der gewünschte maximale Druckwert erreicht so verbleibt der Kolben 9a in der angefahrenen Stellung. Der maximale Druckwert wird genau dann erzielt, wenn der Hubkolben der Pumpe 4 den oberen Umkehrpunkt der Hubbewegung erreicht hat. Anschließend entspannt sich das Medium wieder. Am unteren Umkehrpunkt der Hubbewegung des Hubkolbens ist die Druckkammer quasi drucklos. Werden Drucksensoren die einen 44–20mA Signalausgang besitzen, getestet, so variiert das Messsignal kontinuierlich zwischen 4 und 20mA. Dabei liegt der am Drucksensor selbst eingestellte maximale Druckwert, der einem Messsignal von 20mA entspricht, erheblich unter dem maximalen Druckwert in der Druckspitze. Fällt ein Drucksensor bei einem Test aus, so variiert das von diesem Sensor gelieferte Messsignal nicht mehr zwischen 4 und 20mA. Ein solcher Ausfall kann von der Steuer- und Auswerteeinheit 20 registriert werden.
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Während des Ansaugtaktes wird ein im Zulauf der Pumpe 4 angeordnetes Zulaufventil 3 geöffnet. Der Zulauf ist mit einer Vorpumpe verbunden, die das Druckmedium unter geringem Druck bereitstellt. Die Vorpumpe muss nur so viel Medium fördern, wie durch Leckage während eines Arbeitstaktes verloren geht. Sobald der Hubkolben seinen unteren Umkehrpunkt erreicht hat wird das Zulaufventil geschlossen und das Medium verdichtet. Beim weiteren Verfahren des Hubkolbens wird das Medium komprimiert und eine entsprechende Druckerhöhung findet statt. Im oberen Umkehrpunkt des Hubkolbens wird der Maximaldruck erreicht. Um eine Zerstörung der Pumpe 4 zu vermeiden, darf am oberen Umkehrpunkt die maximale mögliche Kompressibilität des Druckmediums noch nicht erreicht werden.
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Nach Erreichen der vorgegebenen Anzahl der Druckspitzen wird der Test beendet. Der Prüfdruck wird definiert „herunter geregelt“, um mögliche Drucküberhöhungen beim Abschalten zu vermeiden. Die Pumpe 4 wird abgeschaltet und die Sensoren 8a, 8b, 8c können einfach von der Druckkammer abgeschraubt werden. Die Prüflinge (Sensoren 8a, 8b, 8c) werden mittels einer speziellen Metall / Metall Abdichtung (metallische Dichtfase) abgedichtet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Erreichung auch hoher Prüfdrücke im Bereich bis 2000 bar sehr wenig Energie verbraucht. Die Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung beträgt weniger als 10 Prozent einer herkömmlichen Prüfeinrichtung, da mit jedem Hub nur das Leckagevolumen ausgeglichen werden muss. Dieses Leckagevolumen wird dazu herangezogen, um permanent Wärmeenergie aus dem System abzuziehen.
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Über den Spindelantrieb kann der gewünschte maximale Druckwert einer Druckspitze schnell, sehr genau und einfach angefahren werden.
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Überschwingende Drücke bei An- und Abschaltvorgängen mit einer Verzerrung der Belastungssituation an den Prüflingen können bedingt durch die Steuerung und Regelung ausgeschlossen werden
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Über Mehrfachadaptionen bzw. Adapter können bis zu 21 Prüflinge gleichzeitig getestet werden.
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Die Erfindung beschreibt eine Prüfeinrichtung für Sensoren, die bei Druckstufen > 600 bar bis 2000 bar einen pulsierenden (Sinusprüfdruckverlauf) ohne Proportionalventile erzeugt. Weitere Vorteile sind: weniger Komponenten (druckbelastete Teile / Ventile), weniger zu erwartende Ausfallmechanismen und niedriger Energiebedarf. Das eingesetzte Prüfmedium ist bei dieser Konstruktion der Prüfanlage relativ frei wählbar, bedingt durch einen separaten Schmierkreislauf bzw. Trennung von Prüfmedium zu Schmierung innerhalb der Plungerpumpe
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Die Prüffrequenz kann variabel mittels der Hubfrequenz der Plungerpumpe gewählt werden. Um eine typische Lebensdauerprüfung bzw. einen Lebenszyklus zu simulieren wird die Prüf- bzw. Taktfrequenz möglichst hoch gewählt (> 10 Hz). Damit erhält man auch bei Messanforderungen von bis zu 100 Mio. Lastwechseln innerhalb eines vertretbaren Zeitraums entsprechende Testergebnisse. Die ermittelten Daten werden zum Teil auch im Datenblatt für derartige Sensoren aufgenommen.
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Derartige Prüfeinrichtungen werden auch als Druckimpulsprüfstände bezeichnet.
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Gegenüber herkömmlichen Prüfereinrichtungen zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren, die typischerweise eine Leistungsaufnahme von 120 kW besitzen, weist die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung nur einen Leistungsbedarf von 20 kW auf.
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Beim Anlaufen der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung wird die Anlage automatisch entlüftet. Ansonsten würde durch die Kompressibilität der eingeschlossen Luft der gewünschte Prüfdruck unter Umständen nicht erreicht. Weitere unerwünschte Effekte wie Kavitation, Mikrodieseleffekte usw. werden damit auch vermieden.
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Die erfindungsgemäße Testeinrichtung ist auch für den Dauerbetrieb geeignet. Es können beliebig viele Testzyklen mit 100 Mio oder mehr Druckspitzen gefahren werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich die Druckfestigkeit von Sensoren einfach zu testen.
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Die Prüfeinrichtung erlaubt eine einfache Generierung von pulsierenden Druckspitzen. Sie ist deshalb nicht nur zum Testen von Sensoren sondern auch als Vorrichtung zum Testen von anderen Komponenten / Geräten wie z. B. Druckleitungen; Druckschläuche; Rails usw. geeignet.
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Deshalb wurde auch ein Anspruch auf eine entsprechende Vorrichtung gerichtet.
