DE19540232C1 - Hydrodynamic and hydrostatic force measuring method - Google Patents

Hydrodynamic and hydrostatic force measuring method

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Abstract

The method uses foil sensors (1) with a thickness of between 0.1 and 1 mm. applied to the required measuring points. Each sensor has a pair of superimposed foils (10), respectively carrying an electrode network with interdigitated fingers (4,7) and a semiconductor polymer (8). The foils are joined together over the greater part of their peripheral edge (14) to provide a sensor chamber (16) with an opening in the vicinity of the electrode network terminations (2,5), coupled to a pressure equalisation chamber (12). The signals provided by the sensors are recorded via a processor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an arrangement according to the preamble of Claim 1.

Es ist bereits bekannt, hydrodynamische und hydrostatische Drücke an Maschinenteilen mit Hilfe von Druckfühlern zu messen, die jedoch normalerweise einen derart großen Aufbau haben, daß dadurch die Flüssigkeitsströmung um den Druckfühler verändert wird, was zu Meßergebnissen führt, die den tatsächlichen Verhält­ nissen nicht entsprechen, oder sie müssen im Bauteil versenkt angeordnet werden, was großen Montageaufwand und Beschädigung der Maschinenteile bedeutet.It is already known hydrodynamic and hydrostatic pressures on machine parts with the help of pressure sensors that however, usually have such a large structure that thereby changing the fluid flow around the pressure sensor becomes, which leads to measurement results that the actual ratio nissen not correspond, or they must be sunk in the component be arranged, which requires great assembly effort and damage to the Machine parts means.

Es sind zwar auch bereits kleine Foliendrucksensoren mit einer Dicke von 0,1 bis 1 mm bekannt, die durch Anwendung von mechani­ schem Druck ihren Widerstand ändern und damit elektrische Signale abgeben können, die proportional dem aufgewendeten Druck sind. Solche Drucksensoren sind oberflächlich betrachtet Folien­ schalter, die im Gegensatz zu konventionellen Schaltern den Widerstand bei in normaler Richtung aufgebrachtem Druck ändern. Ein Druck auf einen derartigen Sensor bewirkt, daß der Widerstand von typisch 1 MΩ auf 1 kΩ abfällt. Sie eignen sich daher ideal für Berührungssteuerungen. Sie sind außerdem verhältnismäßig preiswert, 0,1 bis 1 mm dick und sehr haltbar (bis zum 10 Millionen Auslösungen) sowie widerstandsfähig gegen Umweltein­ flüsse. Die Sensoren können in Sensorfeldern oder als Einzel­ elemente bis zu Größen von 60 cm × 80 cm hergestellt und mit Kräften im Bereich von 10 g bis 10 kg belastet werden. Nähere Einzelheiten sind in der technischen Übersicht der Firma INTERLINK ELECTRONICS EUROPE in Rev. 2/90 beschrieben.There are already small film pressure sensors with one Thickness of 0.1 to 1 mm is known, which is achieved by using mechani chemical pressure change their resistance and thus electrical signals can deliver that are proportional to the pressure applied. On the surface, such pressure sensors are foils switches that, in contrast to conventional switches Change resistance when pressure is applied in the normal direction. Pressing such a sensor causes the resistance  drops from typically 1 MΩ to 1 kΩ. They are therefore ideal for touch controls. They are also proportionate inexpensive, 0.1 to 1 mm thick and very durable (up to the 10th Million triggers) and resistant to environmental influences rivers. The sensors can be in sensor fields or individually elements made up to sizes of 60 cm × 80 cm and with Forces in the range of 10 g to 10 kg can be loaded. Closer Details are in the company's technical overview INTERLINK ELECTRONICS EUROPE in Rev. 2/90.

Da die bekannten Foliendrucksensoren aus zwei übereinandergeleg­ ten Folien bestehen, die bis auf den Bereich der Leiteranschlüsse miteinander verschweißt sind, ist eine zumindest an einer Seite offene Kammer gebildet, durch die Wasser eindringen kann bzw. der Wasserdruck ansteht, so daß Foliendrucksensoren beim Einsatz unter Wasser wirkungslos sind.Since the well-known film pressure sensors made of two superimposed th foils exist, except for the area of the conductor connections are welded together, at least on one side open chamber through which water can penetrate or the Water pressure is present, so that film pressure sensors during use are ineffective under water.

Die DE 33 37 978 C2 betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Druckes und eines zeitlichen Druckverlaufs an der Oberfläche von Versuchsobjekten, beispielsweise Windkanalmodellen, Ver­ suchsfahrzeugen, Versuchsflugzeugen oder anderen, wobei auf einem Träger eine Vielzahl von druckempfindlichen Fühlern angeordnet ist, die mit Operationsverstärkern verbunden sind.DE 33 37 978 C2 relates to a device for measuring a Pressure and a temporal pressure curve on the surface of Test objects, for example wind tunnel models, ver search vehicles, test aircraft or other, being on one Carrier arranged a variety of pressure sensitive sensors which are connected to operational amplifiers.

Aus der DE 43 39 931 C1 ist ein Positionsgeber für den Gangwahl­ hebel eines Fahrzeuggetriebes bekannt, der ein auf einer Träger­ platine angeordneter Foliendrucksensor ist, der eine der Bahn des Schleifers entsprechend angeordnete, kammartige Widerstandsbahn aufweist.DE 43 39 931 C1 is a position transmitter for gear selection lever of a vehicle transmission known, the one on a carrier is arranged foil pressure sensor, which is one of the path of the Grinder's appropriately arranged, comb-like resistance track having.

Aus der US 33 02 080 ist ein Foliendrucksensor aus zwei überein­ andergelegten Folien bekannt, der an gewünschten Meßpunkten anbringbar ist. Dabei sind die Folien entlang des größten Teiles ihrer Ränder miteinander versiegelt und bilden eine rundum ge­ schlossene Sensorkammer. From US 33 02 080, a film pressure sensor is made up of two other foils known at the desired measuring points is attachable. The slides are along most of it their edges sealed together and form an all around ge closed sensor chamber.  

Schließlich ist in S.K. Howell et al., Intelligent Instrumenta­ tion, Meas. Sci. Technol. 1 (1990) 1265-1273, die in der Meß­ technik allgemein geläufige Maßnahme beschrieben, Sensoren mit einem Rechner zur Meßwertregistrierung zu verbinden.Finally, in S.K. Howell et al., Intelligent Instrumenta tion, Meas. Sci. Technol. 1 (1990) 1265-1273, which in Mess Technique common measure described, sensors with to connect a computer for measured value registration.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die im Betrieb auftretenden hydrodynamischen und/oder hydrostatischen Drücke auf einfache Weise gemessen werden können. Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen Drucksensor zu schaffen, mit dem das Verfahren durchgeführt werden kann.The object of the invention is a method of the beginning to create the type with which the occurring in the company hydrodynamic and / or hydrostatic pressures to simple Way can be measured. The object of the invention is also to create a pressure sensor with which the method is carried out can be.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 5.The features of the claim serve to solve this problem 1 or 5.

Gemäß Erfindung wird also ein an sich bekannter, jedoch erfin­ dungsgemäß veränderter Foliendrucksensor an dem zu messenden Bauteil angebracht, wobei seine Leiteranschlüsse mit einem Rechner zur Meßwertregistrierung verbunden werden.According to the invention, a known, but invented according to modified film pressure sensor on the to be measured Component attached, its conductor connections with a Computer for measuring value registration can be connected.

Die erfindungsgemäße Veränderung des Foliendrucksensors besteht darin, daß die an sich offene Meßkammer im Bereich der Leiter­ anschlüsse durch eine Druckausgleichskammer verschlossen wird, deren Volumen ausreicht, um bei Druck auf die Sensorkammer eine Volumenänderung zuzulassen.The change in the film pressure sensor according to the invention exists in that the measuring chamber, which is open per se, in the area of the ladder connections are closed by a pressure compensation chamber,  the volume of which is sufficient to apply a pressure to the sensor chamber Allow volume change.

Dabei hat sich überraschend herausgestellt, daß ein derart abgewandelter Foliendrucksensor auch unter Wasser seinen Widerstand in Abhängigkeit von dem auf ihn wirkenden Druck ändert, so daß der erfindungsgemäße Foliendrucksensor eindeutige Meßwertsignale an einen angeschlossenen Rechner liefern kann.It has surprisingly been found that such a modified film pressure sensor even under water Resistance depending on the pressure on it changes, so that the film pressure sensor according to the invention unique Can deliver measured value signals to a connected computer.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.The invention is explained in more detail below with reference to figures explained, with the same parts with the same reference numerals are designated.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Foliendrucksensor; und Fig. 1 shows a plan view of a film pressure sensor according to the invention; and

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-B durch Fig. 1. Fig. 2 shows a section along line AB by Fig. 1,.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Foliendrucksensor 1, der von zwei übereinandergelegten Folien 10 und 10′ gebildet ist. Die Folien 10 und 10′ haben in der dargestellten Ausführungsform einen rechteckigen Umriß mit einem Fortsatz 20, der zur Aufnahme von elektrischen Leitern 3 und 6 dient. Nach außen gehen die elektrischen Leiter 3, 6 in Anschlüsse 2 bzw. 5 über. An das andere Ende der elektrischen Leiter 3 und 6 schließen Leiterfin­ der 4 und 7 an, die in Form eines Satzes von ineinandergreifenden Elektroden angeordnet sind. Die elektrischen Leiter 3, 5 und die Leiterfinger 4, 7 sind an einer Seite der oberen Folie 10′ angeordnet und liegen auf einem Halbleiterpolymer 8, das auf einer Seite der unteren Folie 10 aufgebracht ist. Durch diese Anordnung sind die Leiterfinger 4, 7 und das Halbleiterpolymer 8 einander zugewandt, und die Leiterfinger 4, 7 werden durch das Halbleiterpolymer 8 parallel geschaltet. Wird kein Druck auf diese Verbundeinheit ausgeübt, ist der Widerstand zwischen den einzelnen Fingern des Leiternetzes üblicherweise 1 MΩ oder mehr. Fig. 1 shows a plan view of a film pressure sensor 1 , which is formed by two superimposed films 10 and 10 '. The films 10 and 10 'have in the illustrated embodiment a rectangular outline with an extension 20 , which serves to accommodate electrical conductors 3 and 6 . To the outside, the electrical conductors 3 , 6 merge into connections 2 and 5, respectively. At the other end of the electrical conductors 3 and 6 connect Leiterfin of 4 and 7 , which are arranged in the form of a set of interlocking electrodes. The electrical conductors 3 , 5 and the conductor fingers 4 , 7 are arranged on one side of the upper film 10 'and lie on a semiconductor polymer 8 which is applied to one side of the lower film 10 . With this arrangement, the conductor fingers 4 , 7 and the semiconductor polymer 8 face each other, and the conductor fingers 4 , 7 are connected in parallel by the semiconductor polymer 8 . If no pressure is exerted on this composite unit, the resistance between the individual fingers of the conductor network is usually 1 MΩ or more.

Mit zunehmender Druckbelastung nimmt der Widerstand näherungs­ weise entsprechend einer Exponentialfunktion ab.With increasing pressure load, the resistance approaches reject according to an exponential function.

Am Rand 14 sind die Folien 10 und 10′ miteinander versiegelt, jedoch nicht rundum, sondern unter Freilassung einer Öffnung 11 zwischen den elektrischen Leitern 3 und 6. Auf diese Weise ist eine Sensorkammer 16 gebildet, deren Öffnung 11 eine Höhe von etwa 9 µm und eine Breite von 1 mm hat.At the edge 14 , the foils 10 and 10 'are sealed together, but not all around, but leaving an opening 11 between the electrical conductors 3 and 6 . In this way, a sensor chamber 16 is formed, the opening 11 of which has a height of approximately 9 μm and a width of 1 mm.

Gemäß Erfindung wird nun die Öffnung 11 der Sensorkammer 16 durch eine Druckausgleichskammer 12 verschlossen, die durch einen halben linsenförmigen Mantel gebildet wird. Die Größe der Druckausgleichskammer 12 ist so bemessen, daß ihr Volumen ausreicht, um bei Druck auf die Sensorkammer 16 eine Volumen­ änderung zuzulassen.According to the invention, the opening 11 of the sensor chamber 16 is now closed by a pressure compensation chamber 12 , which is formed by a half lenticular jacket. The size of the pressure compensation chamber 12 is dimensioned such that its volume is sufficient to permit a change in volume when pressure is exerted on the sensor chamber 16 .

Dabei kommt es wesentlich darauf an, daß die Festigkeit der Druckaus­ gleichskammer 12 so gewählt ist, daß sie durch den Außendruck ihr Volumen nicht ändert. Dies wird entweder durch einen hinreichend starken Mantel erreicht, der beispielsweise aus Kunststoff hergestellt ist, oder durch Ausfüllen der Druckkammer mit einem porösen Füllstoff wie Filz oder Polyurethanschaum.It is essential that the strength of the pressure compensation chamber 12 is selected so that it does not change its volume due to the external pressure. This is achieved either by a sufficiently strong jacket, which is made of plastic, for example, or by filling the pressure chamber with a porous filler such as felt or polyurethane foam.

Durch das Verschließen der Öffnung 11 zur Sensorkammer 16 wird erreicht, daß der Drucksensor auch unter Wasser eingesetzt werden kann, da keine Flüssigkeit in die Sensorkammer 16 eindringt und den Drucksensor unwirksam macht.By closing the opening 11 to the sensor chamber 16 it is achieved that the pressure sensor can also be used under water since no liquid penetrates into the sensor chamber 16 and renders the pressure sensor ineffective.

Durch die geringe Bauhöhe von Foliendrucksensoren ist es ferner möglich, diese nahezu ohne Störung der Umgebung an den zu untersuchenden Maschinenteilen anzubringen, was insbesondere für das Messen der Druckverhältnisse an Schiffspropellern im Betrieb des tatsächlichen Propellers anstelle eines Modells von größtem Vorteil ist. In einem derartigen Fall werden die mit einer Druckausgleichskammer 12 versehenen erfindungsgemäßen Folien­ drucksensoren 1 an vorher festgelegten Punkten eines Schiffs­ propellers angebracht und über ihre Anschlüsse 2 und 5 mit einem nicht dargestellten Rechner verbunden, der zweckmäßigerweise am Ende der Propellerwelle oder in der Propellerwelle angeordnet wird. Die von den Foliendrucksensoren 1 an den Rechner geliefer­ ten Meßwertsignale können bei laufendem Schiffspropeller von dem Rechner gespeichert und nach Abschluß der Messung und Ausbau des Rechners zur weiteren Auswertung ausgelesen werden.Due to the low overall height of foil pressure sensors, it is also possible to attach them to the machine parts to be examined almost without disturbing the environment, which is of great advantage especially for measuring the pressure conditions on ship propellers when operating the actual propeller instead of a model. In such a case, the film pressure sensors 1 provided with a pressure compensation chamber 12 according to the invention are attached to predetermined points of a ship propeller and connected via their connections 2 and 5 to a computer, not shown, which is expediently arranged at the end of the propeller shaft or in the propeller shaft. The measured value signals supplied by the film pressure sensors 1 to the computer can be stored by the computer while the ship's propeller is running and can be read out for further evaluation after the measurement and expansion of the computer have been completed.

Claims (8)

1. Verfahren zum Messen von hydrodynamischen und hydrostati­ schen Drücken an und in Strukturen, Maschinen, Apparaten und Tanks, insbesondere am Schiffspropeller während der Fahrt, dadurch gekennzeichnet, daß an gewünschten Meßpunkten Foliendrucksensoren (1) mit einer Dicke von 0,1 bis 1 mm angebracht werden, die aus zwei übereinandergelegten Folien (10) bestehen, von denen eine ein Elektrodennetz mit Leiterfingern (4, 7), elektrischen Leitern (3, 6) und An­ schlüssen (2, 5) und die andere ein Halbleiterpolymer (8) trägt, wobei die Leiterfinger (4, 7) dem Halbleiterpolymer (8) zugewandt und durch dieses parallelgeschaltet werden; daß die Folien (10) entlang des größten Teils ihrer Ränder (14) miteinander versiegelt sind und eine rundum geschlosse­ ne Sensorkammer (16) bilden, die nur im Bereich der An­ schlüsse (2, 5) eine Öffnung (11) aufweist; daß die Öffnung (11) der Sensorkammer (16) zusätzlich durch eine Druckaus­ gleichskammer (12) verschlossen wird; und daß die Anschlüsse (2, 5) aller angebrachten Foliendrucksensoren (1) mit einem Rechner zur Meßwertregistrierung verbunden sind.1. A method for measuring hydrodynamic and hydrostatic pressures on and in structures, machines, apparatus and tanks, in particular on the ship's propeller while driving, characterized in that at desired measuring points, film pressure sensors ( 1 ) with a thickness of 0.1 to 1 mm are attached, which consist of two superimposed films ( 10 ), one of which has an electrode network with conductor fingers ( 4 , 7 ), electrical conductors ( 3 , 6 ) and connections ( 2 , 5 ) and the other a semiconductor polymer ( 8 ) , wherein the conductor fingers ( 4 , 7 ) face the semiconductor polymer ( 8 ) and are connected in parallel by the latter; that the films ( 10 ) along the majority of their edges ( 14 ) are sealed together and form a completely closed ne sensor chamber ( 16 ), which only in the area of the connections ( 2 , 5 ) has an opening ( 11 ); that the opening ( 11 ) of the sensor chamber ( 16 ) is additionally closed by a pressure compensation chamber ( 12 ); and that the connections ( 2 , 5 ) of all attached film pressure sensors ( 1 ) are connected to a computer for registering the measured values. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit einem porösen Füllstoff (18) derart ausgefüllt wird, daß sie unter Druck ihr Volumen nicht oder nur unwesentlich ändert.2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) with a porous filler ( 18 ) is filled in such a way that it does not change its volume under pressure or changes only slightly. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) durch einen halben linsenförmigen Mantel gebildet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) is formed by a half lenticular jacket. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit einem fe­ sten oder gasförmigen Stoff gefüllt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) is filled with a fe most or gaseous substance. 5. Drucksensor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit zwei übereinandergelegten Folien (10), von denen eine ein Elektrodennetz mit Leiterfingern (4, 7), elektrischen Leitern (3, 6) und Anschlüssen (2, 5) und die andere ein Halbleiterpolymer (8) trägt, wobei die Leiterfinger (4, 7) dem Halbleiterpolymer (8) zugewandt und durch dieses unter Anwendung von Druck parallelgeschaltet werden; wobei die Fo­ lien (10) entlang des größten Teils ihrer Ränder (14) mit­ einander versiegelt sind und eine rundum geschlossene Sen­ sorkammer (16) bilden, die nur im Bereich der Anschlüsse (2, 5) eine Öffnung (11) aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (11) der Sensorkammer (16) zusätzlich durch eine Druckausgleichskammer (12) verschlossen ist.5. Pressure sensor for performing the method according to claim 1, with two superimposed films ( 10 ), one of which is an electrode network with conductor fingers ( 4 , 7 ), electrical conductors ( 3 , 6 ) and connections ( 2 , 5 ) and the other one Semiconductor polymer ( 8 ) carries, wherein the conductor fingers ( 4 , 7 ) facing the semiconductor polymer ( 8 ) and by this connected in parallel using pressure; wherein the foils ( 10 ) are sealed to one another along most of their edges ( 14 ) and form an all-round closed sensor chamber ( 16 ) which has an opening ( 11 ) only in the region of the connections ( 2 , 5 ); characterized in that the opening ( 11 ) of the sensor chamber ( 16 ) is additionally closed by a pressure compensation chamber ( 12 ). 6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit einem porösen Füllstoff (18) derart ausgefüllt ist, daß sie unter Druck ihr Volumen nicht oder nur unwesentlich ändert.6. Pressure sensor according to claim 5, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) with a porous filler ( 18 ) is filled in such a way that it does not change its volume or only insignificantly under pressure. 7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) durch einen halben linsenförmigen Mantel gebildet ist.7. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) is formed by a half lenticular jacket. 8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichskammer (12) mit einem festen oder gasförmigen Stoff gefüllt ist.8. Pressure sensor according to one of claims 5 to 7, characterized in that the pressure compensation chamber ( 12 ) is filled with a solid or gaseous substance.
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