DE3028657A1

DE3028657A1 - Hydraulisches filter zur ausfilterung langsamer druckschwankungen

Info

Publication number: DE3028657A1
Application number: DE19803028657
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 7770 Überlingen Vachek
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1982-02-11
Also published as: EP0045011A1; DK149008C; DK149008B; US4507971A; DK327881A; DE3167068D1; EP0045011B1

Description

PATENTANWÄLTE
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen/Bodensee

Hydraulisches Filter zur Ausfilterung langsamer Druckschwankungen.

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Filter zur Ausfilterung langsamer Druckschwankungen mit einer Drossel.

Derartige Filter können z.B. bei Geräten eingesetzt werden, welche die Tiefe von Gewässern aus dem hydrostatischen Druck bestimmen. Dabei setzt sich der Druck in der Tiefe zusammen aus dem statischen Druck und Druckschwankungen, die durch die Wellenbewegung an der Oberfläche hervorgerufen werden.

Es ist bekannt, schnelle Druckschwankungen durch eine Drossel vor dem eigentlichen Druckmeßgerät zu vermindern. Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch nicht in der Lage, langsame Druckschwankungen herauszufiltern.

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Es ist im Prinzip auch möglich, Druckschwankungen, die von einem Druckmeßgerät als analoges Wchselspannungssignal wiedergegeben werden, elektrisch herauszufiltern. Die elektrische oder elektronische

Filterung bedingt bei sehr langsamen Druckschwankungen den Einsatz von sehr großen elektrischen Speichern. Solche Speicher sind aufwendig. Sie benötigen auch relativ viel elektrischen Strom. 10

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter zum Herausfiltern langsamer hydraulischer Druckschwankungen zu schaffen, welches robust und einfach

ist und keinen elektrischen Strom verbraucht. 15

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch

(a) ein hydraulisches Speicherelement mit einem

gegen eine Federkraft veränderbaren Volumen und 20

(b) eine Drossel, über welche das hydraulische Speicherelement mit der den Druckschwankungen unterworfenen Flüssigkeit in Verbindung steht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen on Zeichnungen näher erläutert.

Fig.1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Filters mit Kapillare und Balg,

Fig.2 zeigt im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform des Filters mit Sintermaterial und federbelastetem Kolben.

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] Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Filters, bei welcher ein elastischer Schlauch gleichzeitig als Drossel und Speicherelement dient. Fig. 4- zeigt eine vierte Ausführungsform ähnlich der nach Fig. 1, bei welcher Vorkehrungen getroffen sind, um eine Verschmutzung der Kapillare zu verhindern.

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Filters nach der Erfindung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist als Drossel ein Kapillarrohr 10 mit einem Innendurchmesser d· und einer Länge L vorgesehen. Das Kapillarrohr 10 verbindet den Raum, in welchem sich die den Druckschwankungen unterworfene Flüssigkeit mit dem Eingangsdruck P_-1 befindet, mit einem von einem elastischen Balg 12 gebildeten hydraulischen Speicherelement. Der in dem Balg 12 herrschende Druck P^ wird durch ein Druckmeßgerät 14 gemessen.

Bei laminarer Strömung durch das Kapillarrohr 10 mit dem Innendurchmesser d, und der Lange L ist die Druckdifferenz

P-P- ?² * V ^L ' * (ι)

^di

wobei η die dynamische Zägigkeit und ν die Durchschnittsgeschwindigkeit bedeutet. Da während des Zeitintervalls dt aufgrund des Druckgefälles ein Flüssigkeitselement

π · di² - ^π* ^di⁴ C^P1~^P2^ ^dt (2) dV = · ν * dt = i J—£ ν Ο

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in den Balg 12 gelangt, ergibt sich gemäß dem Hagen-Poiseullischen Gesetz eine Druckänderung im Balg 12 von

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-j-r, CLV I c. -,· (-?Λ

ar ρ — = . au \y)

Cv_p *

mit Cv als der spezifischen Volumenänderung (aufgrund der Druckänderung) des Balges 12.

Formt man die Gleichung (3) etwas um, so erhält man die Gleichung

-JT,

-2

-dt

woraus hervorgeht, daß es sich bei der vorliegenden Anordnung um ein Filter 1. Ordnung handelt. Die Zeit konstante dieses Systems ergibt sich aus Gleichung (2) zu

128 * Ά 'L-Cv

Man erkennt aus (5), daß die Zeitkonstante ^% sehr stark vom Innendurchmesser der Kapillare anhängt.

Nach Vorgabe der erforderlichen Zeitkonstante, die von der geforderten Dämpfung und der tiefsten auszufilternden Frequenz abhängt, und nach Auswahl eines geeigneten Balgs können die Abmessungen des Kapillarrohres 10 nach Gleichung (5) berechnet und kann ein geeignetes Kapillarrohr ausgewählt werden. Das Filter ist verlustfrei. Es schützt das eigentliche Druckmeßgerät vor zu hohen, unzulässigen Druckspitzen.

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Fig.2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Drossel von einem Sintermaterial 16 und der hydraulische Speichervon einem Zylinder 18 gebildet ist, in welchem ein durch eine Feder 20 belasteter Kolben 22 beweglich ist. Das Druckmeßgerät 2A- ist an die zwischen Sintermaterial 16 und Kolben 22 gebildete Zylinderkammer 26 angeschlossen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 sind Drossel und Speicherelement in Form eines dünnen, elastisch ausdehnbaren Schlauchs 28 verbunden. Auf das eine Ende des Schlauchs 28 wird der den Druckschwankungen unterworfene Eingangsdruck P. gegeben. An das andere Ende 32 ist das Druckmeßgerät 3^ angeschlossen. Der Schlauch 28 wirkt einmal, ähnlich wie das Kapillarrohr 10, als Drossel. Zum anderen bildet er ein Volumen, das mit Flüssigkeit gefüllt ist und sich bei Druckerhöhung ausdehnt. Dadurch wirkt der Schlauch 28 auch als hydraulisches Speicherelement, ähnlich wie der Balg 12 von Fig.1. Bei geeigneter Wahl der Länge und des Durchmessers des Schlauchs 28 kann daher eine ähnliche Wirkung erzielt werden wie bei der Anordnung nach Fig. 1.

Die Anordnung von Fig.4- ist ähnlich der von Fig.1 mit einem Kapillarrohr 10 als Drossel, einem Balg 12 als Speicherelement und dem Druckmeßgerät 1A-. Hier ist jedoch die Drossel 10 einlaßseitig mit einer durch eine Membran 36 abgeschlossenen, flüssxgkeitsgefüllten Kammer 38 verbunden, wobei das den Druckschwankungen unterworfene Medium an die Außenseite der Membran 36 angrenzt.

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Auf diese Weise gelangt das den Druckschwankungen unterworfene Medium, z.B. Seewasser,, nicht in das Kapillarrohr 10 und kann dieses nicht verstopfen. Es ^ ist außerdem möglich, die Kammer 38, das Kapillarrohr 10 und den Balg 12 mit einer viskosen Flüssigkeit zu füllen und damit "Ί in Gleichung (5) zu erhöhen.

Die verschiedenen Arten von Drosseln und hydraulischen Speicherelementen können auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden. Die Kammer 38 und Membran 36 kann auch bei einer Anordnung nach 3?ig.2 vorgesehen werden. Schließlich ist es auch möglich, mehrere solcher Filter zur Erzeugung eines Filters höherer Ordnung hintereinanderzuschalten.

Soll ein bestimmtes mittleres Frequenzband von Druckschwankungen ausgewertet werden, sollen also Frequenzen sowohl oberhalb als auch unterhalb eines interessieren-

den Bereiches unterdrückt werden, so kann dies mit exner Anordnung nach Fig. 5 geschehen. Es werden zwei "Tiefpässe" aufgebaut, nämlich einen Tiefpaß A-O mit einer relativ hohen Grenzfrequenz und einer Zeitkonstante τ und einen Tiefpaß 4-2 mit einer relativ niedrigen

Grenzfrequenz und einer Zeitkonstante τ -^. Der Tiefpaß 4-0 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Drossel 4-4- und einem hydraulischen Speicherelement 4-6. Der Druck des hydraulischen Speicherelements 4-6 beaufschlagt eine Seite eines Differenzdruckgebers 4-8. Der Tiefpaß

4-2 wird von einem hydraulischen Speicherelement 50 gebildet, welches über eine Drossel 52 mit dem hydraulischen Speicherelement 4-6 des Tiefpasses 4-0 verbunden ist. Die Drosseln 4-4- und 52 sind in Fig. 5 als Sinterscheiben dargestellt. Der Druck des hydraulischen Speicherelements 4-6 werde mit P—, der Druck des hydraulischen Speicherlements 50 werde mit P-j- und der Druck am Eingang des Filters sei P^. Bezeichnet s den Laplaceoperator, so ist

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_P

1 Λ x τ _H . s

^PL ~ ^PH 1 + τ _L s ~ ^P1 * (1 + τ _H s) (.1 +

Der Differenzdruckgeber 48 liefert eine Spannung

■H IO

oder

U~P_TT - P_T = P,

1 + t;_hs (/Μ-τ _H s) (1 + τ _L s)

η Jj η Jj

Dies ist die Übertragungsfunktion eines Bandpasses.

Die Funktion des Filters läßt sich auch anschaulich verstehen:
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Langsame Schwankungen des Drucks P^ unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Filters 42 werden von beiden Filtern 40 und 42 übertragen. An dem Differenzdruckgeber 48 tritt daher keine Druckdifferenz und damit kein Ausgangssignal auf. Wenn die Frequenz der Schwankungen unter der Grenzfrequenz des Filters 40 aber über der Grenzfrequenz des Filters 42 liegt, werden die Schwankungen zwar noch über das Filter 40 an dem Differenzdruckgeber 48 wirksam. Sie werden

3® aber von dem Filter 42 nicht mehr übertragen, so daß an dem Differenzdruckgeber 48 keine Kompensation erfolgt, Der Differenzdruckgeber liefert ein den Schwankungen entsprechendes Ausgangssignal. Druckschwankungen höherer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz des Filters

VJerden von dem Filter 40 unterdrückt und gar nicht an dem Differenzdruckgeber wirksam.

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Statt eines Differenzdruckgebers können auch zwei einfache Druckgeber vorgesehen werden, wobei elektrisch die Differenz der Ausgangssignale gebildet wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Hydraulisches Filter zur Ausfilterung langsamer Druckschwankungen mit einer Drossel, gekennzeich-IQ net durch

(a) ein hydraulisches Speicherelement (12, 18, 28) mit einem gegen eine Federkraft veränderbaren Volumen und

(b) eine Drossel(iO, 16, 28), über welche das

hydraulische Speicherelement (12, 16, 28) mit der den Druckschwankungen unterworfenen Flüssigkeit in Verbindung steht.
2. Hydraulisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement ein Balg (12) ist.
3· Hydraulisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement ein Zylinder (18) ist, in welchem ein federbelasteter Kolben (22) geführt ist.
4. Hydraulisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel von einem Kapillarrohr (10) gebildet ist.
5. Hydraulisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel von einem Körper aus Sintermaterial (16) gebildet ist.

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6. Hydraulisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drossel und Speicherelement in Form eines dünnen, elastisch ausdehnbaren Schläuche (28) vereinigt sind.
7. Hydraulisches Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (10) einlaßseitig mit einer durch eine Membran (36) abgeschlossenen, flüssigkeitsgefüllten Kammer (38) verbunden ist, wobei das den Druckschwankungen unterworfene Medium an die Außenseite der Membran (36) angrenzt.
8. Hydraulisches Filter nach einem der Ansprüche Λ bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) auf eine Druckdifferenz ansprechende Mittel einerseits von dem Druck des hydraulischen Speicherelements beaufschlagt sind,

(b) ein zweites hydraulisches Speicherelement über eine weitere Drossel mit dem ersteren hydraulischen Speicherelement verbunden ist und

(c) der Druck des zweiten hydraulischen Speicherelements an den auf eine Druckdifferenz ansprechenden Mitteln dem Druck des ersteren hydraulischen Speicherelements entgegenwirkt.

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