DE1773196A1 - Kavitationsanzeiger - Google Patents

Description

DR. EULE DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2. HIi-BLESTRASSE 2O |//3

• Df. Eul« Dr.Bwg Dipl.-Ing. Stapf, B MOnchen 2, HilblertroB« 20

Unser Ztidwn Datum

Anwalta-Akte 17 105
Be/Be

MONSANTO COMPANY
800 North Lindbergh Boulevard, St.Louia, Missouri, U.S.A.

"Kavitationaanzeiger"

Kavitationsschäden haben neuerdings ein wesentliches Interesse bei Flugzeug-Hydraulik-Anlagen gefunden. Viele moderne Flugzeuge benutzen hydraulische Servo-Betätigungssysteme zur Einstellung von Flugsteuerungsflächen, wie Leitwerke, Querruder und Flugbremsen, ebenso wie zur Durchführung anderer Arbeitsfunkt ionen. Es wurde gefunden, daß Servo-Betätigungsventile innerhalb dieser Systeme häufig gestört sind, weil Metallschäden an den Rändern der Eintrittsstellen 0-2342 -2-

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der Flüssigkeit auftreten. Diese Störung tritt zusätzlich zu den Erscheinungen der Flüssigkeitskavitation auf.

Die Kavitation, beziehungsweise Hohlraumbildung wird erläutert als die Bildung von Gas- oder Dampfblasen in einer Flüssigkeit, verursacht durch Unterdruokbereiche, die durch die relative Bewegung zwischen einer Flüssigkeit und einem festen Körper entstehen. Da die Blasen später einen Punkt höheren Druckes erreichen, entsteht ein heftiger Zusammenbruch, welcher Stoßwellen erzeugt, die stark genug aind die mechanischen Teile, welche mit der Flüssigkeit in Kontakt stehen, zu beschädigen. Kavitation wird oft festgestellt in einer Flüssigkeit, die durch eine Einengung fließt, zum Beispiel durch ein teilweise verschlossenes Ventil oder eine Öffnung.

Kavitationsschaden ist üblicherweise gekennzeichnet durch die physikalische Änderung der angegriffenen Oberfläche. Diese Änderung kann ausgehen von feiner Deformation der Oberflächenstruktur bis zu ernster Erosion des Materials. Die mechanischen Teile eines Hydrauliksystems, wie Pumpen und Ventile, können ebenso eine erkennbare Änderung in der Arbeitsleistung erfahren, wie die Form der Teile infolge Schaden durch Kavitation verändert werden kann. Solche physikalischen Änderungen können in Pumpen eine Verminderung des Pumpenwirkungsgrades verursachen und in Ventilen fehlerhafte Betätigungen, Leckvergrößerung oder sogar gefährliche

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Bedingungen erzeugen. Kavitation ist also bei Flugzeugsystemen wegen der Gefährdung der Sicherheit besonders schädlich.

Zusätzlich zu den physikalischen Schäden der mechanischen Teile, die durch die Folgen der Kavitation entstehen, kann die Arbeitsflüssigkeit selbst durch die von der Erosion herrührenden Metallpartikel verschmutzt werden. Weitere Folgen sind Verstopfen des Systemfilters, übermäßiger Filterersatz und Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Metal!verschmutzungen können die Oxidationsstabilität einer Flüssigkeit verringern, dadurch also das Flüssigkeitsverhalten nachteilig beeinflussen.

Es besteht daher schon lange ein Bedürfnis nach einem einfachen und genauen Mittel zur Feststellung und Analysierung von Flüssigkeitskavitation in Hydrauliksystemen, besonders Flugzeug-Hydrauliksystemen. Die Mittel und das Verfahren der vorliegenden Erfindung schaffen die empfindliche und wirksame Erkennung und Analyse von Kavitation in dem Maß wie sie fortschreitet und von abnormalen inneren Lecks bei Flugzeug-oervoventilen begleitet ist.

Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung einen Kavitationsanzeiger zu schaffen, der geeignet ist Kavitation innerhalb der Bestandteile von hydraulischen Systemen zu isoliex^en und zu analysieren.

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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin Mittel und Verfahren der Betriebsüberwachung von Flugzeug-Hydrauliksystemen zu schaffen, damit frühzeitig Kavitation und übermäßige Ventilleckbildung festgestellt werden, bevor ein Schaden auftritt.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines Kavitationsanzeigers mit einem breiten Frequenzband, das Geräusche unter ungefähr. 30 kHz nicht enthält, aber alle Geräusche von 30 kHz bis 100 kHz enthält .

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin in dem Anzeiger ein Verstärkungssystem mit logarithmischem Charakter zu schaffen, um die UIt ras chall vibrat ionenenergie besser darzustellen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin einen abgestimmten Tastkopf als Aufnahmeeinrichtung zu benutzen.

'Weitere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung und die begleitende Zeichnung erkennbar, worin

Figur 1 ein Blockschaltbild des nach der vorliegenden Erfindung verwendeten Kavitationsanzeigers ist.

Allgemein gesprochen, beinhaltet die vorliegende Erfindung

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Mittel und Verfahren, um Geräusche festzustellen und zu analysieren, die auftreten, wenn Flüssigkeiten durch kleine Öffnungen fließen, insbesondere in Bauteilen, wie sie Servo-Ventile in hydraulischen Systemen darstellen. Das hier "beschriebene Anzeigegerät benutzt einen abgestimmten Tastkopf, der gegen das Servo-Ventil oder andere Hydraulikteile, die analysiert werden sollen, gehalten wird. Der Kristall des Tastkopfea und die Anzeigeschaltung sind so ausgelegt, daß auftretende Geräusche unter 30 kHz vernachlässigt, Frequenzen zwischen' 30 kHz bia über 100 kHz aber aufgenommen werden. Die untere Grenze von 30 kHz wurde gewählt, um sicherzugehen, daß alle Schalleffekte unberücksichtigt blieben. Damit das Signal der Kavitation besser dargestellt wird, sind die Verstärker im Arbeitabereich logarithmisch. Der Anzeigerausgang ist "mittelwertbildend", im Gegensatz zu früheren Einrichtungen, die einen "puah-pull"-Ausgang haben.

Unter Bezugnahme auf figur 1 der Zeichnung ist der Tastkopf 10 das Glied, das den mechanischen Kontakt mit den zu untersuchenden Systemkomponenten herstellt. Der Tastkopf 10 arbeitet mit einem Wandler, der mechanische in elektrische Schwingungen umwandelt, hier einem piezoelektrischen Kristall 11, der das Ultraschall-Kavitationssignal empfängt. Per Kristall 11 erzeugt eine elektrische Ausgangsspannung, die der UItraschallvibration entspricht. Tastkopf 10 und Kristall 11 sind mit Längen ausgeführt, welche dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in dem Stahltastkopf bzw. dem Keramik-

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kristall entsprechen. Daa Übertragungaglied, das mechanisch an der Verbindungsstelle von Tastkopf 10 und Kristall 11 angebracht ist, befindet ,sich in einem Schwingungsknoten und hat daher wenig Einfluß auf das Anaprechverhalten des Tastkopfes. Die tatsächlichen Längen des Taatkopfes 10 und des Kristalls 11 sind so gewählt, daß eine mechanische Resonanz bei 50 kHz und Vielfachen davon erzeugt wird. Hierdurch wird bei diesen Frequenzen eine maximale, elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Kristall 11 erzeugt. Daher aprioht man von einer "Abstimmung" der Tastkopfeinheit. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Tastkopf 10 aus einem rostfreien Stahlstab von 1/8 inch (3»2 mm) Durchmesser und 1 inch (25»4 mm) Länge. Der Kristall 11 hat einen Durchmesser von 3/8 inch (9»5 mm) und eine Länge von % inch (12,7 mm). Ein piezoelektrischer Kristall wird anderen mechanischi-elektrischen Wandlern vorgezogen, weil die letzteren eine nicht ausreichende Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen haben. Der Kristall schafft hohe Empfindlichkeit bei kompaktem Aufbau.

Wie Figur 1 weiter zeigt, ist der Ausgang von Kristall 11 mit dem Impedanzwandler 12 verbunden. Der Impedanzwandler ist mechanisch eng mit dem Kristall 11 zusammengebaut. Sein Zweck ist die Herabsetzung der verhältnismäßig hohen Impedanz des Kristalls auf die niedrige Impedanz des flexiblen Kabels, daa den Impedanzwandler 12 mit dem Hochpaßfilter 13 verbindet. Auf diese Weise werden Signalenergieverluste auf

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dem Kabel verringert. Filter 13 ist einer der drei Hochpaßfilter im System, die elektrische Frequenzen sperren sollen, die von Geräuschen im Hörschallbereich in dem zu untersuchenden Gebiet, zum Beispiel hydraulischen Pumpen und anderen Einrichtungen stammen, ohne daß die Ultraschallsignale von der Kavitation bedeutend verringert werden. In Serie mit Filter 13 liegt Verstärker 14» welcher logarithmisch gestaltet ist durch den Einbau einer Parallelschaltung von zwei oder mehr Dioden vorbestimmter Charakteristik, welche die Grundlage für einen logarithmischen Rückkopplungskreis bilden. Die Entwicklung eines solchen Kreises ist dem Fachmann bekannt.

Weiter unter Bezugnahme auf Figur 1 geht der Ausgang des logarithmischen Verstärkers 14 direkt durch den Hochpaßfilter 15 zu einem zweiten logarithmischen Verstärker 16. Hierauf folgt wieder ein Hochpaßfilter, der die Nummer 17 hat, dessen Ausgang zu einem dritten logarithmischen Verstärker 18 geht. Der Ausgang von Verstärker 18 teilt sich in zwei Zweige. Ein Zweig schließt die Temperaturkompensationseinrichtung 19 und einen Wechselspannungsmesser 20 ein. Der Temperaturkompensator 19 dient zur Korrektur von Verstärkungsanderungen des Verstärkungssystems, die mit Änderungen der umgebungstemperatur verbunden sind. Die Verstärkungsänderungen sind verursacht durch die Temperaturempfindlichkeit der " Dioden, die den logarithmischen Charakter erzeugen. Der Wechselsparmungsmesser 20 dient als Ableseinstrument des Geräts.

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Der zweite Zweig hinter dem Ausgang von Verstärker 18 schließt ein den Tiefpaßfilter 21, den Prüfkristall 22 und die Testplatte 23. Dieser Zweig ist ein Prüfmittel für die ganze Schaltung. Er gestattet die Rückkopplung über den . Tastkopf 10 zur Feststellung der Systemfunktion. Das Niederfrequenzsignal des Tiefpaßfilters 21 erzeugt zusammen mit Kristall 22 eine Schwingung der Testplatte 23. Wenn man den Tastkopf 10 an die Testplatte 23 legt, wird ein Schwingkreis hergestellt, der alle Elemente einschließt, die durch die Geräteteile 10 bis 18 dargestellt sind. Der Ausschlag an Instrument 20, der als Folge der sich aufbauenden Schwingung entsteht, dient als Prüfau3schlag für die richtige Arbeit des Kreises.

Der Tiefpaßfilter 21 ist eine Spule, die zusammen mit dem Prüfkristall 22 einen Resonanzkreis für 30 kHz bildet. Das Filter 21 dient dem Zweck Schwingungen auf die niedrigste von mehreren möglichen zu beschränken, wenn der Tastkopf auf die Testplatte 23 zur Funktionsprüfung des Instrumentenkreises gelegt wird. Ohne Filter könnte die Schwingung verschiedene Frequenzen mit entsprechenden Ausschlagsunterschieden an der Instrumentenablesung annehmen. Die Benutzung logarithmseher Verstärker in der Schaltung der vorliegenden Erfindung gestattet eine Anpassung an Vibrationsamplituden über einen Bereich von 10 000 zu 1.

Wenn man die Hilfsmittel der vorliegenden Erfindung, darge-

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stellt durch Figur 1 benutzt, hält man die Spitze des Tastkopfes 10 an das zu untersuchende Servo-Ventil oder einen anderen Hydraulikbauteil. Es ist wünschenswert die Spitze dea Tastkopfes annähernd senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche zu halten. Hierbei ist, wenn möglich, eine glatte Oberfläche auszuwählen. Es hat sich herausgestellt, daß die Anwendung eines Druckes von etwa 500 g auf den Tastkopf für gute Übertragung und Anzeige wünschenswert ist. Das Piezoelektrische Teil im Tastkopf setzt die Kavitationsenergie in ein elektrisches Signal um. Zur Erreichung einer den Kavitationsgeräuschen adäquaten Empfindlichkeit wird die Ausgangsenergie der piezoelektrischen Vorrichtung durch die logarithmischen Verstärker vergrößert. Im Zuge der verschiedenen Verstärkerstufen wird das Signal über mehrere Hochpaßfilter geführt, in welchen alle Tonfrequenzen stark gedämpft werden. Hiernach wird das verstärkte Ultraschallsignal über einen Temperaturkompensator an das Ableseinstrument gelegt.

Der sofort ablesbare Ausschlag ist eine Funktion des Kavitationsgrades der Flüssigkeit, welche untersucht werden soll. Bis zu einer begrenzten Größe ist er auch ein Maß für den Flüssigkeitsdurchfluß, das heißt der inneren Undichtheit, wenn das geprüfteTeil ein Servo-Ventil ist.

E3 wurden Versuche gemacht, um die Signalgröße des Anzeigegeräts der vorliegenden Erfindung in einem Verhältnis zum

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Flüssigkeitsdurchfluß oder zur Undicht he it durch eine kleine Öffnung zu bringen. Jedoch weichen die Durchflußanzeigen-Kurven vom üblichen ab, da sie eine "S"-förmige Kurve ergeben. Dies hat zu der Folgerung geführt, daß daa Anzeigegerät das Anklingen und den Portschritt der Kavitation so anzeigt, wie der Pluß durch die öffnung erhöht wird. Das Störgeräuschsignal erreicht gegebenenfalls eine Sättigung, und der Anzeigeausschlag bleibt im wesentlichen konstant. So wird das wahre Verhältnis zum Durchfluß unklar.

Daher hängt die genaue Beziehung zwischen Skalenausschlag und Plussigkeitadurchfluß oder Undichtheit von verschiedenen Paktoren ab, die durch das Hydrauliksystem selbst bestimmt 7/erden, allerdingt hängt sie in erster Linie von dem Grad der Kavitation ab, dem die Flüssigkeit ausgesetzt ist.

Die Nützlichkeit der Hilfsmittel und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wurden durch tatsächliche Prüfungen bei der Plugzeugherstellung aufgezeigt. Die Empfindlichkeit und die Reichweite des Anzeigegeräts ermöglichen es außergewöhnliche, innere Undichtheiten eines Servo-Vent ils von normalen, inneren Undichtheiten zu unterscheiden. Daher ist es einfach ein Ventil zu lokalisieren, das funktionell durch einen Kavitationsschaden gefährdet ist. Die Messung des durch Kavitationsbildung entstandenen Ultraschallyerauschs, das sich beim Durchfluß bildet, iat eine wertvolle

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Technik bei der Störungssuche in solchen Systemen.

Obwohl diese Erfindung im Hinblick auf spezifische Beispiele und Geräte beschrieben wurde, ist es klar, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und daß sie verschiedenartig im Bereich der nachfolgenden Ansprüche angewendet werden kann.

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Claims (1)

1. - 12 Pat entansprüche :

   1. Verfahren zur Kavitationsfeststellung bei einer in einem geschlossenen System fließenden Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt das In-Kontakt-bringen des Systems mit einem Abtastmittel, das mit einer Einrichtung versehen ist, die mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umwandelt, Verstärken des Signals und Leiten desselben durch ein Hochpaßfilter und Führen des gefilterten Signals an ein Anzeigeinstrument.

   2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasthilfsmittel einen Berührungeteil von bestimmter Abmessung umfaßt, das mit einem piezoelektrischen Kristall bestimmter Abmessung zusammengebaut ist.

   3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasthilfsmittel in Resonanz mit bestimmten Frequenzen innerhalb des Bereichs der Kavitations-Impuls-Frequenz ist.

   4. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des gefilterten Signals von ungefähr 30 kHz bis ungefähr 100 kHz reicht.

   ρ. Verfahren zum Messen innerer Undichtheit in einem Bestandteil eines arbeitenden Flüssigkeitssystema dadurch ge-

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   kennzeichnet, daß es umfaßt das In-Kontakt-bringen des Teils mit einem Abtasthilfsmittel, das vorgesehen ist mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, Verstärken des Signals und Leiten desselben durch- ein Hochpaßfilter und Führen des gefilterten Signals zu einem Anzeigeinstrument .

   6. Vorrichtung zur Kavitationsfestatellung bei einer in einem geschlossenen System fließenden Flüssigkeit dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt Abtastliilfsmittel, das so ausgelegt ist, daß mechanische Bewegung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, Verstarkungseinrichtungen zur Verstärkung des elektrischen Signals, Filtermittel zur Dämpfung der Geräusche in dem hörbaren Bereich, selbstschwingende Prüfeinrichtungen und Ablesevorrichtungen zur " Darstellung der Kavitat iona int ena it ät.

   7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasthilfsmittel einen Berührungsteil von bestimmter Abmessung umfaßt, der mit einem piezoelektrischen Kristall bestimmter Abmessung zusammengebaut ist.

   8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß da3 Abtasthilfsmittel in Resonanz bei bestimmten Frequenzen innerhalb des Bereichs der Kavitations-Impuls-Frequenz arbeitet.

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   9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen logarithmischen Rückkopplungskreis hat,

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