DE1100331B - Vorrichtung zur Messung der Maximalwerte von Druckspitzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Maximalwerte von periodisch oder in zeitlich variabler Folge auftretenden Druckspitzen flüssiger oder gasförmiger Medien.

Es sind Instrumente bekannt, die insbesondere zur Messung der Spitzendrücke in Zylindern von Dieselmaschinen entwickelt wurden. Das Meßprinzip dieser Instrumente besteht in der Hegel darin, daß dem höchsten auftretenden Gasdruck eine entsprechende Federkraft gegenübergestellt wird, deren Größe als Maß des auftretenden Maximaldruckes am Instrument abgelesen wird. Infolge der beträchtlichen Abmessungen und insbesondere der großen, von den Gaskräften zu bewegenden Massen haben die bekannten Instrumente meist eine sehr niedrige Eigenschwingungszahl, so daß sie nur für relativ langsam laufende und deshalb große Maschinen Verwendung finden können; ihre Genauigkeit läßt zudem meist zu wünschen übrig.

Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie ist gekennzeichnet durch einen vom Medium beaufschlagten Meßkolben und eine entgegen dem Mediumdruck auf den Meßkolben mit einstellbarer Kraft wirkende Meßfeder, weiter durch ein von der Bewegung des Meßkolbens gesteuertes Ventil, das sich bei Bewegung des Meßkolbens entgegen der auf ihn wirkenden Federkraft öffnet und das Medium auf einen Differentialkolben mit wesentlich größerer wirksamer Kolbenfläche als diejenige des Meßkolbens einwirken läßt, derart, daß bei die Kraft der Meßfeder übersteigender, vom Medium auf den Meßkolben ausgeübter Druckkraft der Differentialkolben schlagartig gegen einen Anschlag bewegt wird, sowie schließlich durch Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens und für die auf den Meßkolben ausgeübte Federkraft. ^

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich gegenüber bekannten Vorrichtungen der eingangs geschilderten Art durch wesentlich gesteigerte Genauigkeit der ermittelten Druckwerte aus. Dies wird insbesondere damit erreicht, daß selbst bei nur wenig die eingestellte Kraft der Meßfeder übersteigender, vom Medium auf den Meßkolben ausgeübten Druckkraft der Differentialkolben bei jeder neuen Druckspitze schlagartig aus seiner Ruhelage bewegt wird, und zwar praktisch unabhängig von der Größe der Differenz zwischen der Federkraft und der vom Medium auf den Meßkolben ausgeübten Druckkraft. Solange eine Bewegung des Differentialkolbens erfolgt, ist dies ein Zeichen dafür, daß die Kraft der Meßfeder noch nicht derjenigen der zu messenden Druckspitze entspricht. Durch allmähliche Steigerung der Federkraft während des Meßvorganges wird dann plötzlich der Zustand erreicht, wo die Bewegung des Differentialkolbens aufhört und die auf den Meßkolben wir-Vorrictitung zur Messung
der Maximalwerte von Druckspitzen

Anmelder:

Kistler Instrumente A. G.,
Wmterthur (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,
Stuttgart, Marienstr. 19

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom. 31. März 1959

Dipl.-Phys. Walter Paul Kistler,

North Tonawanda, N. Y. (V. St. A.),

ist als Erfinder genannt worden

kenden Kräfte sich Gleichgewicht halten; die Kraft der Feder stellt dann direkt ein Maß für den maximalen Wert der zu messenden Druckspitzen dar.

Der Übergang zwischen periodischer Bewegung und Stillstand des Differentialkolbens ist hierbei scharf definiert. Mit Hilfe der Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens wird das Erreichen dieses Zustandes dem Messenden sofort erkennbar gemacht. Der Messende kann dann an Hand der jeweils bei diesem Zustand vorhandenen Federkraft die Maximalgröße der auftretenden Druckspitzen bestimmen.

Die Messung kann umgekehrt auch so ausgeführt werden, daß die Feder über den zu erwartenden Maximaldruck vorgespannt und dann die Federkraft allmählich verringert wird, bis plötzlich die Bewegungen des Differentialkolbens einsetzen. Es genügt dann, durch leichtes Vergrößern der Federkraft den Zustand herbeizuführen, wo diese Bewegungen gerade aufhören.

Die erhöhte Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt sich insbesondere bei Messung von Druckspitzen mit höheren Frequenzen aus. Die Erfindung ermöglicht, die bewegten Massen sehr klein zu halten; damit gelingt es, mit einer Frequenz von beispielsweise 3000 Druckspitzen pro Minute die Maximalwerte auftretender Druckstöße noch einwandfrei zu messen.

109 527/281

3 4

Zweckmäßig können Meßkolben üiid Differential- :■; ,weist/ Die Stirnseite des Meßkolbens 7 ist auf dem kolben miteinander verbunden sein, z.B. durch, eine Ventilsitz 8 gasdicht aufgeläppt. Der Schaft 5 α des gemeinsame Kolbenstange. Das die Einwirkung des Körpers 5 ist in der Büchse 9 geführt und trägt an Mediums auf den Differentialkolben freigebende Ven- seinem halbkugelig ausgebildeten Ende den Federtil kann ferner vorteilhaft durch den Meßkolben und 5 teller 10. Die Meßfeder 11 stützt sich auf den Federeine mit einer Durchtrittsöffnung für das Medium ver- teller 10 ab und wird durch die Mikrometerschraube sehene Sitzfläche gebildet sein, gegen welche die 12 gespannt. Das Maß der Federspannung bzw. der Stirnfläche des Meßkolbens unter dem Einfluß der auf den Meßkolben 7 wirkenden Federkraft kann mit-Meßfeder in Ruhelage des Meßkolbens dichtend ge- tels Mikrometerhülse 13 auf der nicht gezeichneten preßt wird. i° Mikrometerteilung abgelesen werden, die auf der

Es empfiehlt sich, die Anzeigemittel für die Bewe- Außenseite des Gehäuses 14 eingraviert ist.

gung des Differentialkolbens als eine dessen Bewegung Um ein einwandfreies Ablesen des Meßresultates

mitmachende, mit einer Spitze aus der Vorrichtung bei schwer zugänglichen Meßstellen zu erleichtern,

herausgeführte Nadel auszubilden; die Bewegung des kann mittels Rändelschraube 15 eine Verstellung der

Differentialkolbens kann dann auf einfachste Weise 15 Meßhülse 13 beim Ausschrauben des Meßteiles 2 aus

durch Abtasten der Nadel von Hand festgestellt wer- dem Verbindungsstück verhindert werden. Hierzu ist

den. Es ist aber auch möglich, die Bewegung des Dif- die Mikrometerschraube 12 geschlitzt und wird mittels

ferentialkolbens mittels einer Tastuhr, die auf das In- Konusbüchse 16 beim Anziehen der Rändelschraube

strument aufgesetzt wird, zu messen. 15 gegen den Gewindeteil des Gehäuses 14 gespreizt,

Ferner ist auch eine Ausführung möglich, bei der 20 womit die jeweils eingestellte Federkraft fixiert wird.

Meßkolben und Differentialkolben als getrennte Teile Meßhülse 13 und Mikrometerschraube 12 sind fest

ausgebildet sind, wobei zur Rückführung des Differen- miteinander verbunden. Ferner weist das Gehäuse 14

tialkolbens in die Ruhelage eine Hilfsfeder dient. des Meßteiles 2 geeignete Oberflächenteile 17 auf, die

Zweckmäßig kann die auf den Meßkolben wirkende Verzahnungen oder Schlüsselflächen bilden und das

Federkraft mit Hilfe einer Mikrometerschraube ein- 25 Einschrauben des Meßteiles in das Verbindungsstück

stellbar sein. Weiter können Mittel zum Fixieren der erleichtern.

während des Meßvorganges eingestellten Kraft der Zum Anzeigen der Bewegungen des Differentialkol-

Meßfeder vorhanden sein. In einer weiteren vorteil- bens 6 ist der Federteller 10 mit der Fühlernadel 18

haften Ausführungsform kann schließlich die Vorrich- verbunden, die an ihrem Ende leicht zugespitzt ist

tung aus einem als Absperrorgan ausgebildeten Ver- 30 und etwas über die Rändelschraube 15 vorragt. Die

bindungsstück und einem in dasselbe einschraubbaren Fühlernadel 18 ist frei längsverschiebbar durch die

Meß teil bestehen; hierbei kann zweckmäßig das Ver- Konusbüchse 16 geführt; die Konusbüchse 16 ihrer-

bindungsstück mit einem federbelasteten Ventil ver- seits ist desgleichen längsbeweglich in der Mikro-

sehen sein, das den Zutritt des Mediums zum Meßteil meterschraube 12 gelagert.

erst freigibt, nachdem der Meßteil voll eingeschraubt 35 Die als Variante in Fig. 3 dargestellte Ausführungsist, form .des Meßteiles 2 besteht wiederum aus einem in

Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhän- der Achsrichtung verschiebbar in Büchse 9 geführten

gende Einzelheiten sind nachstehend an Hand zweier Körper 25, der am unteren Ende den Meßkolben 23

in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispie- trägt, welcher auf dem Ventilsitz 8 aufgeläppt ist. Am

len näher erläutert. Es zeigt 40 oberen Ende ist der Körper 25 halbkugelig ausgeführt,

Fig. 1 eine erfindungsgemäße, aus einem Meßteil damit vom Federteller 26 keine Biegungsmomente auf

und einem Verbindungsstück bestehende Vorrichtung den Körper 25 übertragen werden können. Der Diffe-

im Längsschnitt durch die Mittelachse bei geöffnetem rentialkolben 24 ist in Achsrichtung frei gleitend auf

Absperrorgan im Verbindungsstück, und den unteren Teil des Körpers 25 aufgepaßt und über-

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Verbindungs- 45 trägt seine Bewegung mittels Stift 22 auf die in Achsstück gemäß Fig. 1 bei geschlossenem Absperrorgan richtung ebenfalls frei bewegliche Fühlernadel 27. Der und ausgeschraubtem Meßteil, Differentialkolben 24 ist an seinem Außendurchmes-

Fig. 3 die untere Partie eines Meßteiles mit ge- ser mittels Labyrinthrillen im Meßteil 2 abgedichtet

trenntem Differential- und Meßkolben im Längsschnitt und wird durch Hilfsfeder 28 in die untere Anschlag-

durch die Mittelachse, ohne Verbindungsstück. 50 stellung gedrückt Sobald das Druckmedium infolge

Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Vorrichtung Abhebens des Meßkolbens 23 unter den Differentialbesitzt ein Verbindungsstück 1, das in ein Gewinde- kolben 24 gelangt, wird derselbe gegen die Kraft der loch in der Wand des zu überwachenden Druckraumes Hilfsfeder 28 schlagartig gegen den Anschlag 20 geeingeschraubt werden kann, z. B. in einen Zylinder preßt, wobei das durchtretende Leckme.dium durch die eines Verbrennungsmotors. Das Verbindungsstück 1 55 Öffnung 21 entweicht. Die Fühlernadel 27 ist mit geenthält ein Absperrorgan in Form eines federbelaste- nügend Spiel durch Federteller 26 und Körper 25 hinten Kegelventils 3, das den Druckraum gemäß Fig. 2 durchgeführt und sitzt auf Querstift 22, der sich in abschließt, solange der Meßteil 2 nicht in das Verbin- einem Schlitz des Körpers 25 frei in Achsrichtung bedungsstück 1 eingeschraubt ist. Beim Einschrauben wegen kann.

des Meßteiles öffnet sich das Ventil 3 vorerst so weit, 60 Eine Messung wird in folgender Weise durchge-

daß ein pulsierender Durchtritt des Mediums durch führt, wobei sich die Bezeichnungen auf Fig. 1 und 2

die Ausblasöffnungen 4 entsteht. Dadurch werden all- beziehen:

fällige Verunreinigungen vor dem Meßteil ausgebla- Nach dem Einschrauben des Meßteiles 2 in das Versen. Beim vollständigen Einschrauben des Meßteiles bindungsstück 1 wird die zweckmäßig über den zu ergemäß Fig. 1 entsteht zwischen dem nunmehr völlig 65 wartenden Höchstdruck vorgespannte Feder 11 durch geöffneten Kegelventil 3 und dem Meßteil eine gas- Lösen der Mikrometerhülse 13 langsam entspannt. Sodichte Verbindung. bald die auf den Meßkolben 7 wirkende Federkraft

Der Meßteil 1 (Fig. 1) enthält den in Achsrichtung etwas kleiner als der Maximalwert der durch das Me-

verschiebbar geführten Körper 5, der an einem Ende dium auf den Meßkolben ausgeübten Kraft ist, wird

den Differentialkolben 6 und den Meßkolben 7 auf- 70 der Meßkolben 7 leicht angehoben. Dadurch tritt das

Medium in den Raum 19 ein und der Differentialkolben 6 wird infolge der mehrfach vergrößerten wirksamen Kolbenfläche schlagartig entgegen der Federkraft gegen die einen Anschlag bildende Dichtfläche

20 der Büchse 9 gedrückt. Der Differentialkolben 6 ist mittels Labyrinthrillen in seiner Bohrung abgedichtet. Durchströmende Leckgase können durch die Bohrung

21 entweichen, welche auch dafür sorgt, daß nur Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck gemessen wird. Die schlagartige Bewegung des Differentialkolbens, die mit der Frequenz der auftretenden Druckstöße erfolgt, wird über die Fühlernadel 18 direkt auf den Fühlfinger des Messenden übertragen und kann von demselben mit Leichtigkeit festgestellt werden. Der Messende wird nun durch feines Lösen und Spannen der Meßhülse 13 den Punkt suchen, wo die Sprungbewegung der Fühlernadel sich an der Grenze zum Ruhezustand befindet. Dies ist eindeutig der Fall, wenn die maximale Druckkraft des Mediums durch die Kraft der Meßfeder gerade kompensiert wird. Hierauf wird, wenn nötig, die Rändelschraube 15 fest angezogen und der Meßteil zur genauen Ablesung der Mikrometereinstellung aus dem Verbindungsstück 1 herausgeschraubt. Weil das Maß der Federspannung linear mit dem maximalen Mediumdruck in Zusammenhang steht, ist die Mikrometereinteilung zweckmäßig direkt auf Druckwerte geeicht.

Es ist ohne weiteres möglich, die Vorrichtung sowohl für flüssige wie auch für gasförmige Medien zu benützen, jedoch muß dabei berücksichtigt werden, daß je nach den auftretenden Viskositäten verschiedene Passungen des Differentialkolbens 6 sowie verschiedene Flächenverhältnisse der wirksamen Kolbenflächen von Differentialkolben 6 und Meßkolben 7 gewählt werden müssen.

Genau gleich wird eine Messung mit der Vorrichtung nach Fig. 3 ausgeführt. Diese eignet sich besonders für niedrige Druckwerte und für Messungen, deren Spitzenwerte nur wenig über einem Durchschnittswert liegen.

Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr könnte z. B. der Meßkolben auch in einem Meßzylinder verschiebbar angeordnet sein und bei Bewegung entgegen der auf ihn wirkenden Federkraft eine in der Zylinderwand befindliche Bohrung freigeben, welche mit dem von Differentialkolben abgeschlossenen Druckraum in Verbindung steht. In einer weiteren Ausführungsform könnte der Meßkolben auch mit einem separaten, die Bewegung des Meßkolbens mitmachenden Ventilkörper verbunden sein, der den Zutritt des Mediums zum Differentialkolben steuert.

Ferner sind ohne weiteres auch andere Anzeigemittel als die beschriebene Fühlernadel für die Bewegung des Differentialkolbens möglich. Zum Beispiel könnte die Kolbenstange des Differentialkolbens einen Magnetkörper tragen, der von einer festen Induktionsspule umschlossen wird. Die Bewegung des Differentialkolbens erzeugt dann Spannungsspitzen in der Spule, welche mit Hilfe eines elektrischen Anzeige-Instrumentes sichtbar gemacht werden können.

Schließlich könnten an Stelle der beschriebenen Schraubenfeder auch andere Federmittel auf den Meßkolben wirken, z. B. pneumatische Federmittel mit einstellbarem Druck des Druckmittels, wobei die Ablesung der erzeugten Druckkraft auf den Meßkolben mit Hilfe eines Manometers erfolgen könnte.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Maximalwerte von periodisch oder in zeitlich variabler Folge auftretenden Druckspitzen flüssiger oder gasförmiger Medien, gekennzeichnet durch einen vom Medium beaufschlagten Meßkolben und eine entgegen dem Mediumdruck auf den Meßkolben mit einstellbarer Kraft wirkende Meß feder, weiter durch ein von der Bewegung des Meßkolbens gesteuertes Ventil, das sich bei Bewegung des Meßkolbens entgegen der auf ihn wirkenden Federkraft öffnet und das Medium auf einen Differentialkolben mit wesentlich größerer wirksamer Kolbenfläche als diejenige des Meßkolbens einwirken läßt, derart, daß bei die Kraft der Meß feder übersteigender, vom Medium auf den Meßkolben ausgeübter Druckkraft der Differentialkolben schlagartig gegen einen Anschlag bewegt wird, sowie schließlich durch Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens und für die auf den Meßkolben ausgeübte Federkraft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkolben und der Differentialkolben miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil durch den Meßkolben und eine mit einer Durchtrittsöffnung für das Medium versehene Sitzfläche gebildet wird, gegen welche die Stirnfläche des Meßkolbens unter dem Einfluß der Meßfeder in Ruhelage des Meßkolbens dichtend gepreßt wird und bei geringstem Abheben das Druckmedium unter den separat geführten Differentialkolben leitet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens als eine dessen Bewegung mitmachende, mit einer Spitze aus der Vorrichtung herausgeführte Nadel ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Meßkolben wirkende Federkraft mit Hilfe einer Mikrometerschraube einstellbar ist und direkt im Druckmaß abgelesen werden kann.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Fixieren der während des Meßvorganges eingestellten Kraft der Meßfeder.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem als Abschlußorgan ausgebildeten Verbindungsstück und einem in dasselbe einschraubbaren Meßteil besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück mit einem federbelasteten Ventil versehen ist, das den Zutritt des Mediums zum Meßkolben erst freigibt, nachdem der Meßteil voll eingeschraubt ist und daß das Verbindungsstück mit einem Entlüftungsloch versehen ist, das in einer Zwischenlage des Meßteiles geöffnet und bei vollständig eingeschraubtem Meßteil geschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 527/281 2.61