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Verfahren und Vorrichtung zur Komprimierung eines Mediums auf einen
Eichdruck zum Eichen von Manometern Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Komprimieren eines Mediums auf einen Eichdruck zum Eichen von
Manometern, bei dem ein Gleichgewichtszustand zwischen einem gewichtsbelasteten
Kolben und dem in einem Zylinder komprimierten Medium besteht.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzielung
eines hohen Eichdruckes von hoher Genauigkeit, der zur Eichung oder beim Test von
Druckinstrumenten benötigt wird.
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Bis jetzt ist zur Erzeugung eines gewünschten Eichdruckes von konstanter
Höhe ein System unter Verwendung eines dem Eichdruck entsprechenden Gewichtes zur
Anwendung gekommen. Wie in Fig. 1 dargestellt, kommt in dem System, bei dem ein
Gewicht verwendet wird, ein Kolben P mit einer Einheitsquerschnittsfläche sowie
ein Zylinder C zur Anwendung, wobei im Zylinder C ein kompressibles Medium eingeschlossen
ist Der dem Gewicht entsprechende Eichdruck wird in dem Zylinder C bzw. in dem kompressiblen
Medium durch Auflegen eines Eichgewichtes auf den Kolben P erzeugt. Das eben dargestellte
System beinhaltet zwei Grundprobleme, die auf dem Gleiten des Kolbens im Zylinder
beruhen.
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Das erste Problem beruht auf der mechanischen Reibung zwischen dem
Zylinder und dem Kolben. Es ist deshalb nötig, die mechanische Reibung so klein
wie möglich zu halten. Um dies zu bewerkstelligen, wird eigens keine Dichtung verwendet,
jedoch wird die innere Fläche des Zylinders sowie die äußere Fläche des Kolbens
so genau hergestell daß sich der Kolben direkt in den Zylinder einsetzen läßt und
einen
winzigen Spalt G dazwischen hält. Diese Konstruktion erlaubt
dem kompressiblen Medium nach oben durch den Spalt G hindurch zu treten, so daß
sich der Kolben P gegenüber dem Zylinder C absenken läl3t, ohne direkte mechanische
Reibung zwischen den beiden Flächen. Das Freihalten des Spaltes G zwischen dem Kolben
P und dem Zylinder C bedeutet jedoch ein zweites Problem insofern, als die effektive
druckaufnehmende Fläche nicht leicht zu bestimmen ist.
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Diese Druckaufnahmefläche ist definiert als der Bereich, auf den die
Last mit dem Gewicht W wirkt. In der vorbekannten Art wird deshalb gewöhnlicherweise
so vorgegangen, daß man den Kolben P unter Durchtreten des kompressiblen Mediums
durch den Spalt G langsam absenkt, die Absenkgeschwindigkeit mißt und die effektive
Druckaufnahmefläche unter Berücksichtigung der möglichen Deformation des Zylinders
C aufgrund des darin vorherrschenden Druckes bestimmt.
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Mit dem eben beschriebenen Lecksystem erwächst so lange kein besonderes
Problem, so lange der Druck unterhalb von etwa 1. 000 at bleibt. Steigt jedoch der
Druck, wie es jetzt sehr häufig gebräuchlich ist, über einige 1. 000 bis auf 10.
000 at (Superhochdruck), dann ist die Aufweitung des Zylinders aufgrund des Superhochdruckes
nicht mehr vernachlässigbar. Der Spalt zwischen dem Zylinder und
dem
Kolben wird nämlich so weit, daß das komprimierte Medium durch diesen intensiv leckt.
Aus diesem Grund wird der Zustand, in dem das Gewicht sich mit dem Druck das Gleichgewicht
hält, nicht erreicht, so daß es unmöglich ist, einen Eichhochdruck zu erzeugen und
aufrecht zu erhalten.
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Um nun einen Eichsuperhochdruck zu erkalten, wurde eine Einrichtung
entwickelt, in welcher ein Doppelzylinder vorgesehen ist, bei dem ein äußerer Druck
auf die Außenwand des Innenzylinders wirkt, um diesen an der Aufweitung zu behindern.
In diesem Entwurf ist die Vergrößerung des Spaltes verhindert, die Messung wird
jedoch auf gleiche Weise wie früher mit Hilfe des Lecksystems bewirkt. Es ist deshalb
bei Vorliegen eines Superhochdruckes extrem schwierig, einen Eichdruck mit hoher
Genauigkeit und in einem Gleichgewichtszustand zu erhalten, da die Temperatur des
komprimierten Mediums zusammen mit der Leckmenge ansteigt und deshalb sich sowohl
die Durchtrittsbedingungen als auch die Größe des Zylinders andauernd ändern.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Komprimierung
eines Mediums auf einen Superhochdruck und zur Aufrechterhaltung eines Eichsuperhochdruckes
mit hoher Genauigkeit aufzuzeigen, bei dem gleichzeitig die Reibung zwischen Kolben
und Zylinder
sowie das Durchtreten des komprimierten Mediums in
dem Gewichtssystem unterbunden ist.
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Um dieses Ziel zu erreichen, kommt in der vorliegenden Erfindung ein
Doppelzylinder mit Kolben zur Anwendung, wobei ein innerer Zylinder des Doppelzylinders
mit einem äußeren Druck beaufschlagt wird und innerhalb des Innenzylinders gleichzeitig
ein Eichdruck erzeugt wird, der mit einem Gewicht im Gleichgewicht steht. Das besondere
Merkmal besteht darin, daß das Volumen einer durch den inneren Zylinder und den
Kolben repräsentierten Eichdruckkammer einerseits mit Hilfe eines veränderbaren
Druckrohres einstellbar ist, andererseits die Differenz zwischen der Anzeige des
einstellbaren Volumens der Eichdruckkammer und der Anzeige der Kolbenverschiebung
in axialer Richtung dazu verwendet wird, den äußeren Druck auf einen solchen Zustand
einzuregeln, daß zwischen Kolben und Zylinder weder Reibung noch Leckverluste entstehen.
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Der Gegenstand und der Vorteil der vorliegenden Erfindung erden in
der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in einem schematischen Bild das Prinzip der konventionellen
Methode zur Erzielung eines Eichdruckes; Fig. 2 zeigt eine Ausftihrungsform und
erläutert das Verfahren zur Erzielung eines Eichdruckes entsprechend der vorliegenden
Erfindung.
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In Fig. 2 ist auf der Innenwand eines Innenzylinders 1, in dem der
Eichdruck erzeugt werden soll, eine Gaeitfläche 2 ausgebildet, in welche ein Kolben
3 von unten her eingeschoben ist. Ein äußerer Zylinder 4 sitzt eng auf der Außenfläche
des Innenzylinders. Innerhalb des Innenzylinders 1 silber der Gleitfläche 2 ist
eine Eichdruckkammer 5 vorgesehen. Eine Rohrleitung 7 verbindet die Eichdruckkammer
5 mit einer Druckversorgung 6 und zwischen der Druckversorgung 6 und der Eichdruckkammer
5 ist ein Schließventil 8 angeordnet, um das Fließen des komprimierten Mediums von
der Druckversorgung 6 zur Eichdruckkammer 5 unterbrechen zu können. Eine Leitung
10 verbindet die Eichdruckkammer 5 mit einem veränderbaren Druckrohr 9, das zur
Anzeige des in ihm eingeregelten Volumens mit einem Anzeigegerät 11 versehen ist.
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Das untere Ende des Kolbens 3 ist auf einem Arm eines Hebels 13 gelagert,
der über ein Schiebestück 12 horizontal gehalten wird. Zur sauberen Einregulierung
des Kolbens in der Mitte des Zylinders und zur Verringerung der Reibung zwischen
Kolben und Zylinder wird der Kolben 3 allmählich gedreht. Der Hebel 13 ist auf einem
in der Nähe des Kolbens 3 befindlichen Drehpunkt 14 gelagert und gegenüber dem Kolben
3 ist auf ihm ein Gewicht 15 befestigt. Ein Differentialtransformator 16 ist nahe
an dem Gewicht 15 angeordnet, um die Verschiebung des Hebels zu registrieren. Der
Abgriff des Differentialtransformators 16 ist auf einem Anzelgegerät 17 abzulesen.
Eine Leitung 19 verbindet den Außenzylinder 4 mit einer weiteren Druckversorgung
20; zwischen den beiden ist ein weiteres Schließventil 18 angeordnet. An die Rohrleitung
10 kann ein Manometer 22 angeschlossen sein, und zwar an der in Fig. 2 angedeuteten
Stelle, welches mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeicht werden soll.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachfolgend ein Beispiel zur Handhabung der Einrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung beschrieben: Nach dem Öffnen der Schließventile
8 und 18 wird sowohl die Eichdruckkammer 5 als auch die Innenseite des Außenzylinders
4 aus den Druckversorgungen 6 bzw. 20 Uber die Schließventile 8 bzw. 18 mit Druck
beaufschlagt. Außerdem wird das komprimierte Medium aus der Druckversorgung
6,
die als Eichdruckversorgung dient, über die Rohrleitung 10 zum veränderbaren Druckrohr
9 geleitet Ein dem Eichdruck entsprechendes Gewicht 15 wird auf den einen Arm des
Hebels 13 gesetzt.
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Unter der Annahme, daß die Querschnittsfläche des Kolbens 3 1 cm2,
das Hebelarmverhältuls des Hebels 13 Y :X = 1:20 und das Gewicht des Gewichtes 15
250 kp beträgt, dann erhält man einen Eichdruck von 5.000 kp/cm2.
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Das Gewicht 15 versucht den rechten Hebelarm des Hebels 13 nach oben,
der Kolben 3 diesen Hebelarm nach unten zu drücken. Um den Kolben in Ruhe zu halten,
muß in der Eichdruckkammer 5 aus der Druckversorgung 6 ein Druck erzeugt werden,
der den Eichdruck darstellt (beispielsweise 5.000 kp/cm2 in dem oben geschilderten
Beispiel). Der Gleichgewichtszustand zwischen dem Gewicht 15 und dem Druck in der
Eichdruckkammer 5 wird dadurch sichergestellt, daß die vertikale Lage des Hebels
13 mit Hilfe des Differentialtransformators 16 abgegriffen und über das Anzeigegerät
17 angezeigt wird.
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Wenn der Eichdruck in der Eichdruckkammer 5 ein Buperhochdruck ist,
dann versucht das komprimierte Medium nach unten durch den Spalt zwischen der Mantelfläche
des Kolbens 3 und der Gleitfläche 2 hindurchzutreten und außerdem den Innenzylinder
1 auftuweften. Wenn tatsächlich ein solches Lecken stattfindet, dann sinkt der in
der Eichdruckkammer 5 erzeugte Druck allmählich ab, so daß sich also nicht genau
genug ein konstanter Eichdruck einhalten läßt. Um daß Lecken zu verhindern, wird
der Außendruck im Zylinder 4 erhöht, wodurch sich der Innendurchmesser des Innenzylinders
1 verringert. Dadurch wird zwar der Spalt kleiner; wenn jedoch der Außendruck zu
koch wird, dann entsteht zwischen Kolben und Zylinder eine merkliche Reibung aufgrund
der Tatsache, daß der Kolben 3 durch das Einschrumpfen des Innenzylinders 1 festgehalten
wird. Das bewirkt, daß der Kolben nicht mehr leicht auf der Gleitfläche gleitet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird sowohl das Lecken des komprimierten
Mediums verhindert, als auch das reibungslose Gleiten des Kolbens im Zylinder auf
die folgende Weise gewährleistet: Sobald in der Eichdruckkammer 5 ein Eichdruck
hergestellt ist, wird durch das Schließen des Schließventils 8 ein gegenüber der
Atmosphäre abgeschlossenes Drucksystem erzeugt. Der Griff 21 des veränderbaren
Druckr
ohr es 9 wird in einem 8inn gedreht, so daß sich du Volumen in dem abgeschlossenen
Drucksystem um einen Betrq AV verringert.
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Die Drehrichtung, die diese Wirkung zur Folge hat, wird als positiv
bezeichnet. Der Druck in dem abgeschlossenen Druekeygtem steigt dadurch an, so daß
sich der Kolben 3 nach unten bewegt und den Hebel 13 verschiebt. Die Volumensänderung
#V wird auf dem Anzeigegerät 11 angezeigt; ebenso wird die Verschiebung des Hebels
13 auf dem Anzeigegerät 17 abzulesen sein. Demzufolge muß, sobald kein Leckverlust
des komprimierten Mediums zwischen Kolben und Zylinder stattfindet, die Anzeige
des Anzeigegerätes 11 der Anzeige des Anzeigegerätes 17 entsprechen.
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Der Grund, weshalb die Anzeigte des Anzeigegerätes 11 mit der Anzeige
des Anzeigegerätes 17 übereinstimmen muß, liegt darin, daß sich bei Nichtvorhandensein
von Leckverlusten im Spalt der Kolben 3 um einen Betrag verschieben muß, der der
Verschiebung in positiver Richtung in dem veränderbaren Druckrohr 9 entspricht.
Jedoch selbst wenn kein Leckverlust auftritt, gibt es eine Möglichkeit, daß der
Ausschlag des Anzeigegerätes 17 dem Ausschlag des Anzeigegerätes 11 entweder nicht
entspricht, oder daß die Bewegung des Anzeigegerätes 17 extrem langsam verläuft.
Das kann auf der Tatsache beruhen, daß zwischen dem Kolben 3 und der Gleitfläche
2 eine beträchtliche Reibung vorhanden ist,
so daß sich der Kolben
3 nur schwer bewegen läßt. In diesem Fall muß der in dem Außenzylinder 4 wirkende
Außendruck verringert werden, um flen Innenzylinder 1 etwas zu entlasten unter gleichzeitiger
vergleichender Beöbacbung der Anzeigegeräte 11 und 17. Die Reibung zwischen Zylinder
und Kolben kann durch Einregulieren des AuBendruckes auf die eben beschriebene Weise
beseitigt werden.
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Bewegt sich das Anzeigegerät 17 in negativer Richtung, ohne daß das
veränderbare Druckrohr 9 betätigt wird, so daß sich dadurch der Kolben 3 nach oben
verschiebt, dann bedeutet das, daß der Druck in der Eichdruckkammer 5 allmählich
aufgrund von Leckverlusten längs des Kolbens 3 absinkt. Durch Anheben des Außendruckes
auf die Außenwand des Innenzylinders 1 läßt sich der Spalt zwischen dem Zylinder
1 und dem Kolben 3 verringern und dadurch das Lecken unterbinden. Anschließend wird
zur Erhöhung des Volumens in dem abgeschlossenen Drucksystem an dem veränderbaren
Druckrohr 9 in negativer Richtung gedreht, so daß durch einen ähnlichen wie den
oben beschriebenen Einreguiierungsvorgang ein Zustand aufrechterhalten werden kann,
bei dem weder Leckverluste noch Reibung auftreten.
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Der erwünschte Eichhochdruck läßt sich auf die beiden Regulierweisen,
die oben beschrieben sind, erzeugen und aufrechterhalten. Anschließend
wird
eine numerische Erläuterung gegeben: Die Beziehung zwischen den Anzeigebeträgen
der Anzeigegeräte 11 und 1 wird beschrieben durch Gleichung (1): M =R.h. TASTE N
(1) Dabei bedeutet: M Verschiebung des Differentialtransformators 16 (Ablesung des
Anzeigegerätes 17); R Verhältnis der Verschiebung des Differentialtransformators
16 zur Verschiebung des Kolbens 3 h Gewindesteigung des Schraubenschaftes in dem
veränderbaren Druckrohr 9; N Umdrehungszahl am veränderbaren Druckrohr 9 (Ablesung
des Anzeigegerätes 11); As Querschnittsfläche im veränderbaren Druckrohr 9; Ae Querschnittsfläche
des Kolbens 3.
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Die tatsächliche Verschiebung des Differentialtransformators bei einer
Umdrehungszahl N des Schaftes im veränderbaren Druckrohr 9 in Uhrzeigerrichtung,
die ein Absenken des Kolbens 3 hervorruft, sei mit Md' bezeichnet. Die tatsächliche
Verschiebung des Differentialtransformators bei einer Umdrehungszahl N des Schaftes
im veränderbaren
Druckrohr 9 im Gegenuhrzeigersinn, die ein Anheben
des Kolbens 3 hervorruft, sei mit Mu' bezeichnet. Schließlich sei die berechnete
Verschiebung des Differentialtransformator durch M gegeben. Die Genauigkeit des
erzeugten Eichdruckes errechnet sich aus dem Fehler aufgrund des Leckverluste8 α
e sowie aus dem Fehler aufgrund der Reibung af. Die beiden Fehler sind durch die
nachfolgenden Gleichungen gegeben: #P1 Ae Md'-Mu' αe = = ( ) P PV#R 2 (2)
αf = Ae (M - Mu'+Md ) (3) P PV#R 2 Darin ist: #P1 Druckabfall aufgrund des
Leckverlustes in dem durch das Schließventil 8 eingeschlossenen, komprimierten Medium;
#Pf Druckabfall aufgrund der Reibung in dem durch das Schließventil 8 eingeschlossenen,
komprimierten Medium, P Eichdruck des eingeschlossenen Mediums; V Volumen des eingeschlossenen,
komprimierten Mediums; # Kompressionsbeiwert des komprimierten Mediums beim Eidfruck.
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Die Bedingung, bei der kein Leckverlust auftritt, ergibt sich aus
den Gleichungen (2) und (3) zu Md' = Mu' Die Bedingung, daß keine Reibung existiert,
leitet sich aus den Gleichungen (2) und (3) ab zu M = 1/2 (Mu' + Md') oder umgeschrieben:
M-Md' = Mu'-M.
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Die Bedingung, daß weder Leckverluste noch Reibung vorliegen, lautet:
M = Mu' = Md' @ Sobald diese Bedingungen erfüllt sind, läßt sich das Ziel der vorliegenden
Erfindung erreichen, mit anderen Worten, ein Eichdruck von hoher Genauigkeit einhalten.
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Wie oben ausführlich dargestellt, läßt sich aufgrund der vorliegenden
Erfindung der Eichdruck mit einer hohen Genauigkeit aufrechterhalten durch Befolgung
der nachfolgend aufgezählten Schritte:
Vergleich der Einregellmg
des Volumens des abgeschlossenen Drucksystems mit der vertikalen Verschiebung des
Kolbens mit Hilfe von entsprechenden Anzeigegeräten, Feststellung der Reibung zwischen
Kolben und Zylinder sowie des Druckleckverlustes, entsprechendes Einregulieren des
äußeren Druckes und Einstellen eines Gleichgewichtes zwischen dem Gewicht auf dem
Hebel und dem Druck, eo daß weder Reibung noch Druckverluste auftreten. Damit ist
es leicht möglich, einen Eichsuperhochdruck mit einer Genauigkeit zu erzeugen, die
sich bei dem konventionellen Gewichtssystem nicht erreichen läßt.
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Es wird festgestellt, daß die beschriebene Ausführungsart der vorliegenden
Erfindung den Rahmen der Erfindung nicht begrenzt, sondern daß dieser Rahmen lediglich
durch die nachfolgenden Anspruche gedeckt wird.