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Verfahren und Einrichtung zum Eichen von Druckmessern mit piezoelektrischem,
kapazitivem oder induktivem Geber während der Messung Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Eichen von Druckmessern mit piezoelektrischem,
kapazitivem oder induktivem Geber während der Messung. Es handelt sich dabei um
Druckmesser, wie sie zur Ermittlung von Werten schnell veränderlicher Druckverläufe,
beispielsweise zur Druckmessung an Verbrennungsmotoren, verwendet werden.
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Die bekannten Druckgeber haben eine geringe Konstanz, so daß sich
besonders bei länger dauernden und in ungeeigneter Umgebung durchgeführten Messungen
nur eine geringe Genauigkeit erzielen läßt.
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Die Eichung des Gebers bzw. der Apparatur nach der Herstellung ist
nicht zuverlässig, da infolge der Wärmeabhängigkeit und der Inkonstanz der elektrischen
Apparatur bei der Messung gewöhnlich eine Verlagerung des Nullpunktes eintritt.
Aus diesen Gründen ist es zweckmäßig, diese Einrichtungen dahin gehend 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.
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Es sind mehrere Verfahren zur genauen Eichung von Messern während
der Messung veränderlicher Drücke entwickelt worden. Die Grundlage einiger dieser
Verfahren beruht in- dem Vergleich des momentanen Druckes im Meßraum mit einem genau
bekannten äußeren Druck. Beide Drücke wirken auf verschiedene Seiten eines leichten
Ventils oder einer Scheibe ein, die sich danach einstellt, welcher Druck größer
ist. Berührt die Scheibe die obere oder untere Begrenzung, wird ein elektrischer
Funke ausgelöst, welcher auf eine Regisftierftommel einen Punkt zeichnet. Ein wesentlicher
Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß infolge der Unkonstanz der Kennwerte der
Maschine, die sich von einer Umdrehung zur anderen verändern, eine große Streuung
-der Punkte verursacht wird. Außerdem können solche Difterentialgeber mit genügender
Genauigkeit nur solchen Druckänderungen folgen, deren Zeitdifferentialwert nicht
eine gewisse, durch ihre träge Masse bestimmte Grenze überschreitet. Druckwellen
im Zylinder, welche eine höhere Frequenz haben, werden im Diagramm nicht mehr verzeichnet.
Nach einem anderen, sehr einfachen, besonders bei kapazitiven Gebern angewendeten
Verfahren entsteht eine Membranauslenkung, wenn der zu messende Druck eine bekannte
Größe überschreitet.
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Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß nur der Verlauf von eine bestimmte
Grenze überschreitenden Drücken registriert wird, wogegen die diese gegebene Grenze
nicht erreichenden Drücke überhaupt nicht verzeichnet werden. Das Druckdiagramm
besteht aus einer Reihe
von Teildiagrammen, welche nach dem Messen ausgewertet werden
müssen, was oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile der bekannten Verfahren und
Einrichtungen zu beseitigen.
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Sie geht von dem bekannten Verfahren aus, bei welchem eine Membran
auf der einen Seite mit einem einstellbaren Eichdruck und auf der anderen Seite
mit dem zu messenden Druck belastet ist und die Gleichheit der-beiden Drücke angezeigt
wird. Das Neue am Verfahren besteht darin, daß -beim Umspringen der Membran in die
Lage bei Druckgleichheit zwischen dem Eichdruck mit dem zu messenden Druck ein elektrischer
Impuls ausgelöst und dieser über eine Differentiationsschaltung gemeinsam mit dem
Signal des Meßdruckes einem Kurvenschreiber, vorzugsweise einem Kathodenstrahloszillographen,
zugeführt wird.
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Es bieten sich dabei verschiedene Möglichkeiten der Ausführung des
Verfahrens. In einem Falle werden die von der die Membran enthaltenden Vergleichseinrichtung
kommenden differenzierten elektrischen Impulse des Eichdruckes dem Signal des Meßdruckes
überlagert, so daß das sonst stetig verlaufende Meßsignal an jenen Punkten, in denen
Druckgleichheit herrscht, spitze, vertikale Impulszacken aufweist. Bei einer anderen
Ausführung werden die von der die Membran enthaltenden Vergleichseinrichtung herrührenden
differenzierten elektrischen Impulse der Kippspannung für die Zeitbasis des Kathodenstrahloszillographen
überlagert,-so daß der am Bildschirm dargestellte sonst stetige Verlauf des Meßsignals
an
v den Stellen der Druckgleichheit spitze, horizontal liegende
Impulszacken aufweist. Es ist aber auch möglich, sowohl dem Meßsignal als auch der
Ablenkspannung des Oszillographen die differenzierten Impulse zu überlagern, wodurch
die dargestellte Kurve in den Punkten der Druckgleichheit sowohl horizontale als
auch vertikale Impulszacken aufweist. Dabei wird einer der beiden Impulse vorzugsweise
um die Breite des von der Vergleichseinrichtung gelieferten Impulses verzögert.
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Die zur Durchführung des Verfahrens dienende Einrichtung weist eine
Mischstufe zur Mischung der über Differentiationsglieder und gegebenenfalls über
ein Verzögerungsglied zugeführten Impulse der die Membran enthaltenden Vergleichseinrichtung
mit dem Signal des Meßdruckes auf. Dazu ist eine zweite Mischstufe vorgesehen, an
welcher über dieselben oder ein anderes Differentiationsglied und eventuell noch
über ein weiteres Verzögerungsglied die Impulse der Vergleichseinrichtung und die
Kippspannung der Zeitbasis liegen. Um während der Impulsdauer die Intensität des
Kathodenstrahles zu erhöhen, ist zweckmäßig einem der Differentiationsglieder eine
monostabile Anordnung zugeordnet, welche, von den Impulsen gesteuert, Rechteckimpulse
einstellbarer Länge an eine Elektrode der Oszillographenröhre, vorzugsweise am Wehneltzylinder
derselben, abgibt.
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Die Erfindung wird an einem in der Zeichnung dargestellten Beispiel
näher erklärt.
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Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Druckgeber, Fig. 2 das Blockschema
der gesamten Einrichtung und Fig. 3 Signalverläufe in ihren einzelnen Teilen.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschema eines piezoelektrischen Gebers. Der
Körper des Gebers 8 ist beispielsweise an einen Zylinderkopf 9 angeschraubt. Der
Meßdruck wirkt über einen Innenteil 2 auf den Quarzkristall 1. Im Körper 2 ist ein
Differentialindikator eingebaut, zu welchem über einen Einlaß 6 der Eichdruck Pl
gelangt. Der Differentialindikator besteht aus einer Membran3, welche 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.
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Die Wirkungsweise des Gebers mit den beiden Meßeinheiten, d. h. mit
dem Meßelement 1 und dem Differentialindikator 3, 4 beruht darin, daß sowohl eine
Aufzeichnung des Meßverlaufesp als auch eine Registrierung des Momentes, in welchem
Meßdruck p und Eichdruck p1 gleich sind, erzielt wird. Im Moment der Druckgleichheit
springt die Membran 3 von der einen Lage in die andere über. Beide Meßteile können
getrennt hergestellt werden, aber in der Anordnung nach Fig. 1 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.
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In Fig. 2 ist das Beispiel eines Blockschemas der gesamten Einrichtung
dargestellt. Sie setzt sich im wesentlichen aus drei Teilen zusammen, und zwar dem
Druckgeber mit Differentialindikator 11, 12 nach Fig. 1, dem Oszillographen 13 und
den elektronischen Einrichtungen 14 bis 21. Das Signal vom Druckgeber 11, welches
dem Meßdruck p entspricht und in Fig. 3 A dargestellt ist, wird über einen Signalkanal
14 den vertikalen Ablenkplatten 13 v eines Oszillographen 13 zugeführt. Den horizontalen
Ablenkplattenl3h wird das Zeitablenksignal TB eines Zeitbasisgerätes 21 zugeführt.
Das Signal des Differential-Druckindikators
12 weist einen mäanderförmigen Verlauf
SF (s.
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Fig. 3 C) auf. Nach der Verstärkung im Verstärker 15 wird dieses Signal
sowohl einem Differentationsglied 16 als auch einem Differentiationsglied 17 zugeführt,
wo sein zeitlicher Differentialquotient IF entsteht (s. Fig. 3 C'). Die scharfen
Impulse s des Verlaufes IF werden in einer Mischstufe 20 dem Verlauf des Zeitbasisgerätes
21, dargestellt in Fig. 3 B, überlagert.
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Das sich dadurch ergebende Signal TB' mit dem Impulszacken r (s. Fig.
3E) wird den horizontalen Ablenkplatten 13h des Oszillographen 13 zugeführt. Die
scharfen Impulse s am Ausgang der Differentiationsglieder 16 gelangen über ein Verzögerungsglied
18 (s.
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IF' in Fig. 3 C") in eine Mischstufe 19, welche die um ein Zeitinterval
r verzögerten Impulse s' dem Meßdruckverlauf p nach Fig. 3 A überlagert. Das sich
so ergebende Signal p' (s. Fig. 3 D) wird den vertikalen Ablenkplatten 13v des Oszillographen
13 zugeführt.
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Auf dem Schirm der Bildröhre des Oszillographen 13 entsteht ein Bild
des Meßdruckverlaufes ZK nach Fig. 3 F, in welchem der Punkt, in welchem Meßdruck
und Eichdruck gleich sind, genau durch zwei zueinander senkrechte Impulse v und
lt bezeichnet ist.
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Im Hinblick darauf, daß die Schreibgeschwindigkeit des Oszillographen
beim Aufzeichnen der Impulse v und h groß ist, würde die erfindungsgemäße Einrichtung
diese Impulse nur schIecht sichtbar abbilden. Aus diesem Grunde wird mittels einer
durch die Impulse s gesteuerten monostabilen Schaltung 22 ein Rechteckimpuls q einstellbarer
Dauer erzeugt (Fig. 3 G), der z. B. dem Wehneltzylinder der Kathodenstrahlröhre
13 zugeführt wird und somit eine Aufhellung der Impulse v und h bewirkt.
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Eine ähnliche Wirkung kann durch Einwirken des Impulses q auf die
Nachbeschleunigungsanode der Kathodenstrahlröhre erzielt werden.
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Die Verzögerungz beträgt größenordnungsmäßig einige Mikrosekunden,
also ist der Fehler bei üblichen Drehzahlen bis 6000 Ulmin vernachlässigbar.
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Die Erfindung ermöglicht eine sehr einfache Eichung der Apparatur
während des Betriebes. Die Eichmarken v und lt sind sehr gut ablesbar, instruktiv
und ermöglichen eine eindeutige Bestimmung des Druckes in jedem beliebigen Punkt,
wie auch der Wert des Differentialquotienten dpldt sein mag. Ein weiterer Vorteil
ist die geringe Masse des Differentialindikators, so daß der Einfluß der trägen
Masse bei größeren Werten des Differentialquotienten dpldt praktisch vernachlässigbar
ist.
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Die Erfindung kann weiterhin zur Kontrolle des angezeigten Druckes
bei lang dauernden statischen Messungen angewendet werden. Der Eichdruck wird so
lange erhöht, bis der Differentialindikator einen Impuls auslöst, was bedeutet,
daß Druckgleichheit herrscht.
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Die wesentliche Bedeutung der Erfindung beruht 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
bereiten.