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Verfahren und Vorrichtung zur Messung on Flüssigkeits-'bzw. Gasmengen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
von sehr kleinen Flüssigkeit- bzw.
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Gasmengen, insbesondere von Leckverlusten bzw. durch Undishtigkeiten
ausströmenden Gasen an unter Druck stehenden hydraulischen oder pneumatischen Bauelementen
und Kreislaufen.
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Das Problem der Messung'von L'eckverlusten sowohl bei gasförmigem
wie auch bei flüssigem Druckmedium konnte bisher nur entweder dadurch gelöst werden,
daß an der undichten Stelle z.B. ein Meßbecher aufgestellt wurde, und die Zeit bestimmt
wurde, in der eine bestimmte Flüssigkeitsmenge sich im Meßbecher ansammelte. Naturgemäß
ist diese Methode nicht für gasförmige Druckmedien brauchbar. Außerdem l-assen sich
auf diese Weise innere Leckverluste überhaupt nicht feststellen, zB. Leckverluste,
die entlang dem Kolben eines hydraulischen Arbeitszylinders auftreten. Eine andere
häufig angewandte Methode die sowohl für hydraulische wie pneumatische Bauelemente
geeignet ist, besteht darin, das Bauelement unter Prüfdruck zu setzen, von der Druckquelle
zu trennen und den Druckabfall aufgrund der Leckverluste zu messen. Diese Methode
erlaubt es jedoch nicht, eine quantitative Aussage über die Höhe der Leckverluste
bzw. Undichtigkeitsverluste zu machen, da bei dieser Meßmethode die Elastizität-
der Leitungen und Bauelemente sowie Temperaturschwankungen sehr stark in die Messung
eingehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Moglichkeit zu schaffen,
auch kleinste Leckmengen bzw. Undichtigkeitsverluste zu messen, wobei diese Messungen
unter vollem Betriebsdruck durchgeführt werden und sowohl nach außen in Erscheinung
tretende Leckverluste bzw. Undichtigkeitsverluste wie auch innere Leck- bzw. Undichtigkeitsverluste
zu bestimmen gestatten, unabhängig von der Art der zu prüfenden Bauelemente, sei
es, daß es sich um Absperr-Druckbegrenzungs-oder Wegeventile handelt, ganz gleich
ob Schieber- oder Sitzventil.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Flüssigkeits-bzw. Gasmengen
insbesondere von Leck- bzw. Undichtigkeitsverlusten an unter hohem Druck stehenden
hydraulischen oder pneumatischen Bauelementen ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Geschwindigkeit eines Kolbens gemessen wird, dessen eine Seite mit dem zu prüfenden
hydraulischen oder pneumatischen Bauelement verbunden ist und dessen andere Seite
mit einer Druckquelle verbunden ist.
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Bei dieser Anordnung würde der Kolben, nachdem der Druck aufgebaut
ist, stillstehen, falls keine Leck- bzw. Undichtigkeitsverluste vorhanden sind.
Sind jedoch Undichtigkeitsverluste vorhanden, so bewegt sich der Kolben mit einer
Geschwindigkeit, die den Leckverlusten entspricht und die direkt zur Anzeige der
Größe der Leckverluste, z.B. in cm3/min verwendet werden kann, da die Druckquelle
die durch die Leckverluste verloren gegangene Flüssigkeits- bzw. Gasmenge nachliefert,
jedoch nicht direkt in das zu prüfende hydraulische oder pneumatische Bauelement,
sondern unter Zwischenschaltung des erwähnten Kolbens dessen Geschwindigkeit gemessen
wird.
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In weiterer Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Durchführung
einer Messung zunächst das zu prüfende
hydraulische oder pneumatische
Bauelement und die beiden Seiten des Kolbens mit der Druckquelle verbunden werden
und nachdem der Prüfdruck erreicht ist, die Verbindung zwischen dem zu prüfenden
hydraulischen oder pneumatischen Bauelement und der Druckquelle hermetisch abgesperrt
wird, so daß eine Druckbeaufschlagung nur noch unter Zwischenschaltung des Kolbens
erfolgt.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß der Durckaufbau im Meßkreis ohne
Verschiebung des Meßkolbens erfolgt. Dies ist besonders wichtig* wenn es sich darum
handelt, Undichtigkeitsverluste von pneumatischen Bauelementen festzustellen, da
wegen der Kompressibilität des verwandten Druckmediums erhebliche Mengen dieses
Druckmediums in das zu prüfende pneumatische Bauelement eingeführt-werden müssen,
ehe der Prüfdruck erreicht ist.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß ein beidseitig mit Prüfdruck beaufschlagbarer Meßkolben
vorgesehen -ist, dessen eine Seite mit einer Druckquelle verbindbar ist und dessen
andere Seite einerseits über ein hermetisch dichtendes Absperrventil ebenfalls mit
der Druckquelle verbindbar ist und andererseits über eine Druckleitung mit dem zu
prüfenden hydraulischen oder pneumatischen Bauelement verbunden ist, wobei Mittel
vorgesehen sind zur Bestimmung der bei. Undichtigkeiten'im zu prüfenden pneumatischen
oder hydraul i schen Bauelement auftretenden Meßkolbengeschwindigkeit, und wobei
der Kolben vorzugsweise über eine Kolbenstange mit dem beweglichen Anker eines induktiven
Wegaufnehmers verbunden ist, dessen wegproportinonales Ausgangssignal durch ein
bekanntes Differenzierglied in ein Geschwindigkeitssignal umgewandelt wird.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung wird auf einfache
Weise erreicht, daß nur die Leck- bzw. Undichtigkeitsverluste durch den Meßkolben
gemessen werden, ohne daß durch die Kompressibilität des Druckmediums oder durch
Temperaturschwankungen oder durch die Elastizität der Rohrleitungen und Bauelemente
eine Verfälschung des Meßergebnisses eintreten kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gleitet der
Meßkolben dichtungslos in einem starkwandigen Zylinder, in dessen einem Zylinderdeckel
die Leitungsanschlüsse zum Absperrventil und zum zu prüfenden hydraulischen oder
pneumatischen Bauelement angeordnet sind rund in dessen anderem Zylinderdeckel der
Leitungsanschluß zu einem Umschaltventil, in axialer Verlängerung des Zylinders
ein druckfestes Rchr, in dem der bewegliche Anker des induktiven Wegaufnehmers gleitet
und um das herum die Spule des induktiven Wegaufnehmers gelegt ist, soie ein Leitungsanschluß
für eine Druckausgleichsleitung, die mit dem freien Ende des druckfesten Rohres
verbunden ist, angeordnet sind.
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Dadurch, daß der Kolben dichtungslos im Zylinder gleitet und der bewegliche
Anker des induktiven Wegaufnehmers In einem druckfesten Rohr, das mit Druckmedium
beaufschlagt ist, geleitet, so daß für die Kolbenstange keinerlei Dichtung vorgesehen
zu werden braucht, erfolgt die Bewegung des Meßkolbens praktisch reibungslos, wodurch
die Genauigkeit der Messung sehr stark erhöht wird.
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Um zu vermeiden, daß der Meßkolben während der Messung oder beim Zurückfahren
in die Ausgangsstellung unter dem Einfluß des Druckmediums gegen die Zylinderdeckel
fahrt, sind an den Enden des Zylinders By-Pass-Bohrungen vorgesehen, die in einem
Abstand in den Zylinder einmünden, der großer ist, als die
Meßkolbenhöhe,
und die eine Verbindung zwischen dem Zylinderraum und den Leitungsanschlüssen in
den Zylinderdeckeln herstellen. In Verbindung mit einem Umsteuerventil und in den
By-Pass-Bohrungen angeordneten Rückschlagventilen, die von den Zylinderdeckeln in
Richtung des Zylinderraumes sperren, kann auf diese Weise ein einfaches Zurückführen
des Meßkolbens in seine Ausgangsstellufig erreicht werden.
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Im folgenden wird die Erfindung'ahand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles erläutert, wobei diese Zeichnung schematisch die Meßanordnung
teilweise im Schnitt darstellt.
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Die Meßanordnung weist eine Druckquelle in Form einer- Hochdruckpumpe
1 auf, die aus dem Vorratsbehälter 23 das Druckmedium ansaugt, das im dargestellten
Beispiel aus Hydraulikflüssigkeit -besteht, und in eine Hochdruckleitung 21 fördert,
wobei der Druck mittels des Druckbegrenzungsventils 2 konstant gehalten wird. Mit
der Hochdruckleitung 21 sind das hermet-isch dichtende Absperrventil 3 und das Umschaltventil
5 verbunden, die ihrerseits über die Leitung 18 mit dem Zylinderdeckel 6a bzw. über
die Leitung 20 mit dem Zylinderdeckel 6-b verbunden sind. Die Zylinderdeckel 6a,
6b schließen den starkwandigen Zylinder 6 ab und begrenze-n damit gleichzeiti-g
den lleg des Meßkolbens 13, der dichtungslos mit g-eringem Spiel im Zylinder 6 geleitet.
An den Enden des Zylinders 6 sind die By-Pass-Bohrungen 6c vorgesehen, die in einem
Abstand in den Zylinder 6 einmünden, der größer ist als die Meßkolbenhöhe und die
eine Verbindung zwischen dem Zylinderraum und den Leitungsanschlüssen in den Zylinderdeckeln
6a, 6b herst-ellen. In den By-Passbohrungen 6c sind Rückschlagventile -12 vorgesehenssdie
von den Zylinderdeckeln 6a, 6b in Richtung des Zylinderraumes sperren. Im Zylinderdeckel
6b ist in axialer Verlängerung de.s Zylinders 6 das druckfeste Rohr 16 befestigt,
um das herum
die Spule 9 des induktiven Wegaufnehmers gelegt ist,
während der bewegliche Anker 15 dieses induktiven Wegaufnehmers innerhalb des druckfesten
Rohres 16 hin und her verschiebbar angeordnet ist und mittels der Kolbenstange 14
mit dem Meßkolben 13 verbunden ist und somit dessen Bewegungen folgt.
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Ferner weist der Zylinderdeckel 6b noch einen Leitungsanschluß für
die Druckleitung 17 auf, die mit dem freien Ende des druckfesten Rohres 16 verbunden
ist, so daß innerhalb des Zylinders 6 und des druckfesten Rohres 16 an jeder Stelle
der gleiche Druck herrscht. Der Zylinderdeckel 6a ist über die Hochdruckleitung
19 mit dem zu prüfenden Bauelement verbunden.
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Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen hydraulischen Arbeitszylinder
mit dem Zylinder 8 und dem Kolben 8a, wobei die Hochdruckleitung 19 mit dem Druckraum
der Kolbenoberseite des Hydraulikzylinders verbunden ist und dieser Hydraulikzylinder
zwischen zwei starren Widerlagern eingespannt ist. Ein Druckanzeigegerät 7 ist noch
an der Hochdruckleitung 19 angeordnet, um eine sichtbare Anzeige des Betriebsdruckes
in der Meßanordnung zu geben.
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Die Spule 9 des induktiven Wegaufnahmers ist mit dem Trägerfrequenzmeßverstärker
10 verbunden, an das wiederum das Anzeigeinstrument 11 angeschlossen ist, das durch
Differenzieren des durch den induktiven Wegaufnehmer gelieferten Signales eine direkte
Anzeige der Meßkolbengeschwindigkeit liefert. Das Umschaltventil 5 ist über eine
Leitung 22 und eine Drossel 4 mit dem Vorratsbehälter 23 verbunden.
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Um eine Messung der Leckverluste des Hydraulikzylinders entlang dem
Kolben 8a durchzuführen, wird das hermetisch dichtende Absperrventil 3 geöffnet,
nachdem die Hochdruckpumpe 1 in Betrieb gesetzt wurde und es wird das Umschaltventil
5 in eine Stellung gebracht, die die Leitung 20 mit der Leitung 22 in Verbindung
bringt. Hierdurch entsteht aufgrund des Abflusses von Druckmedium durch die Drossel
4 hindurch
auf der rechten Seite des Meßkolbens 13 ein geringerer
Druck als auf der linken Seite und dieser bewegt sich nach rechts, bis er die By-Pass-Bohrung
6c überfahren hat. In diesem Moment erfolgt über diese Bohrung 6c ein Druckausgleich
und der Kolben bleibt stehen. Jetzt wird das Umschaltventil 5 in die in der Zeichnung
dargestellten Stellung gebracht, so daß eine Verbindung zwischen der Hochdruck)umpe
1 und der rechten Seite des Meßkolbens 13. über die Leitungen 21 und 20 hergestellt
wird. Danach wird das hermetisch dichtende Absperrventil 3 geschlossen. Ist nun
der Kolben 8a absolut dicht im Zylinder 8 eingepaßt, dann treten keine Leckverluste
entlang diesem Kolben 8a auf und die Hochdruckpumpe 1 -braucht diese Leckverluste
nicht auszugle-ichen. Der Meßkol ben 13 bleibt d-aher in seiner Ausgangsstellung
stehen, so daß der induktive Wegaufnehmer keine Signal abgibt. Treten jedoch Leckverluste
auf, so werden diese Verluste durch von der Hochdruckpumpe 1 oefördertes Druckmedium
ausgeglichen, das über die Leitungen 21, das Umschaltventil 5 und die Leitung 20
in den Zylinder 6 hineinströmt. Diese in den Zylinder 6 hineintretende Flüssigkeitsmenge
ist gleich der aus dem Zylinder 6 abrließerlaen Flüssigkeitsmenge, die als- Leckverlust
am Kolben 8a vorbeifließt. Da sich jedoch zwischen der abfließenden Flüssi gkei
tsmenge und der eintretenden Flüssigkeitsmenge der Meßkolben 13 befindet, muß dieser
sich im Zylinder 6 mit einer Gescindiykeit verschieben, die der Größe der Leckverluste
proportional ist. Da die Reibung des Meßkolbens 13 im Zylinder 6 äußerst gering
ist und auch" keine weiteren Reibungseinflüsse in der Meßanordnung auftreten können,
entstehen zwischen den beiden Kolbenseiten nur äußerst geringe Druckunterschiede,
die gerade ausreichen, um den Kolben entsprechend der Größe der Leckverluste zu
verschieben, ohne daß jedoch entlang dem Meßkolben 13 Leckverluste auftreten könnten,
die das Meßergebnis verfälschen.
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Ist der Meßkolben 13 in seiner äußersten linken Stellung angelangt,
so ist die Messung beendet, und er kann wieder in seine äußerste rechte Stellung
zurückgeführt werden indem das hermetisch dichtende Absperrventil 3 geöffnet wird
und das Umschaltventil 5 so umgeschaltet wird, daß eine Verbindung zwischen den
Leitungen 20 und 22 hergestellt wird.
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Um das Spiel des Meßkolbens 13 im Zylinder 6 unabhängig vom Prüfdruck
möglichst konstant stant zu halten, ist der Zylinder 6 sehr starkwandig ausgeführt.
Die ibrigen Bauteile der Vorrichtung brauchen jedoch dieser Forderung nicht zu genügen
und sind so bemessen, daß sie dem Prüfdruck einwandfrei standhalten, wobei eine
dem Prüfdruck entsprechende elastische Aufweitung jedoch zugelassen ist. Auf diese
Weise lassen sich für die Meßanordnung normale Hochdruckrohrleitungen und Fittings
verwenden und nur der Zylinder 6 ist eine Sonderanfertigung.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Messung der Meßkolbengeschwindigkeit
mittels eines induktiven Wegaufnehmers deswegen gewählt wurde, weil man in diesem
Falle völlig ohne Gleitdichtungen auskommt, da ja der bewegliche Anker des induktiven
Wegaufnehmers innerhalb des druckfesten Rohres 16 angeordnet ist, während die Spule
9 des induktiven Wegaufnehmers um dieses Rohr 16 herumgelegt ist.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die offenbarte räumliche Ausbildung und konstruktive Ausgestaltung werden, soweit
sie gegenüber dem Stand der Technik einzeln oder in Kombination neu sind, als erfindungswesentlich
beansprucht.