DE3707565A1 - Verfahren und einrichtung zur bereitstellung eines hydrodynamischen druckimpulses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählba­ rer Dauer und Amplitude, wobei eine von einer Meßkammer umschlossene Flüssigkeit dynamisch komprimiert wird, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Verfahren bzw. Einrichtungen zur Bereitstellung von Druckimpulsen sind sowohl für den hydrostatischen als auch für den hydrodynamischen Fall bekannt, wobei aber bis dato lediglich im statischen Falle ein mathematisch bzw. absolut beschreibbarer Druck realisiert und bereitgestellt werden kann. Im Falle von dynamischen und hochdynamischen Druck­ impulsen, wie sie insbesonders beispielsweise für die Weiterentwicklung oder Kalibrierung von piezoelektrischen Druckaufnehmern, die bei instationär ablaufenden technischen Prozessen verwendet werden, erforderlich wären, ist es aber bis dato nicht gelungen, mathematisch definierte bzw. absolut beschreibbare Impulse bereitzustellen; aus diesem Grunde wurden bisher auch im Zusammenhang mit dynamischen Druckimpulsen nur relative Abschätzungen der diesbezügli­ chen Einflüsse durchgeführt.

Im Zusammenhang mit den bereits erwähnten dynamischen Druckaufnehmern hat der sogenannte "kalte Druckstoß" - das ist ein hydrodynamischer Druckimpuls ohne die im nor­ malen Meßbetrieb derartiger Druckaufnehmer zumeist gleich­ zeitig auftretende hohe thermische Stoßbelastung - als Prüfverfahren ziemliche Bedeutung, da damit das Verhalten der Druckaufnehmer bei ausschließlich dynamischer Belastung, also ohne den Einfluß thermischer Beanspruchungen, unter­ sucht werden kann. Ein solches Prüfverfahren ist deshalb sehr bedeutsam, da bei Vergleichsmessungen im praktischen Meßbetrieb (mit thermischen und mechanisch-dynamischen Be­ lastungen) von einzelnen Druckaufnehmern, die statisch unter identischen Bedingungen kalibriert wurden, teilweise unterschiedliche Messungen geliefert werden. Man kann in diesem Zusammenhang von einem gewissen dynamischen Eigen­ leben eines Druckaufnehmers sprechen und bezeichnet damit jene Eigenschaften, die weder mit dem Frequenzverhalten des Druckaufnehmers erklärt, noch aus dem Verlauf der statisch ermittelten Empfindlichkeitskennlinie interpretiert werden können. Die gezielte Untersuchung dieses dynamischen Eigen­ lebens der Druckaufnehmer und hier insbesonders der piezo­ elektrischen Druckaufnehmer erfordert also eine Möglichkeit, die beim praktischen Meßeinsatz auftretenden Druckverläufe ohne gleichzeitige thermische Belastung möglichst gut nachzu­ vollziehen, was aber aus den oben angesprochenen Gründen mit den bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen zur Bereit­ stellung von hydrodynamischen Druckimpulsen nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren der eingangs genannten Art sowie eine zugehörige Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so zu ver­ bessern, daß die genannten Nachteile nicht auftreten und daß insbesonders ein mathematisch definierbarer abso­ lut beschreibbarer hydrodynamischer Druckimpuls - an sich für beliebige Verwendung, insbesonders aber zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren - bereitstellbar ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die im abgeschlossenen Innenvolumen der Meß­ kammer befindliche Flüssigkeit mittels eines von außen dy­ namisch betätigbaren Kolbens beeinflußt wird, die vom Kolben übertragene kinetische Energie ermittelt wird, der zugehörige zeitliche Verlauf des Druckimpulses relativ er­ faßt wird, und die für die absolute Definition des Druck­ impulses relevanten Systemkonstanten des Drucksystems aus der vom Kolben übertragenen kinetischen Energie und dem erfaßten zeitlichen Druckverlauf ermittelt werden. Der Kolben stellt zusammen mit den sonstigen Komponenten des Drucksystems ein Schwingsystem dar, dessen relevante Systemkonstanten aus der vom Kolben übertragenen kineti­ schen Energie sowie aus dem relativen zeitlichen Verlauf des Druckimpulses ermittelt werden können. Der relative zeit­ liche Verlauf des Druckimpulses selbst kann entweder über einen von der komprimierten Flüssigkeit beaufschlagten Drucksensor, oder über eine exakte Bestimmung des Kolben­ weges während der dynamischen Betätigung des Kolbens, über eine Dehnungsmessung an der Begrenzung der Meßkammer, oder über ähnliche bekannte Maßnahmen aufgenommen werden; wich­ tig ist hier nur, daß Beginn, Lage des Maximums und Ende des Druckimpulses exakt festgestellt werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß der Kolben von einem Fallgewicht bestimmter Masse betätigt wird; abgesehen von dieser konstruktiv ein­ fachen und billig, einfach und gefahrlos handzuhabenden Möglichkeit könnte aber die dynamische Betätigung des Kol­ bens auch auf andere Weise erfolgen, so z.B. mittels einer auf beliebige Weise beschleunigten Masse, mittels einer vorgespannten Feder, oder auch magnetisch.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden als relevante Systemkonstante des Drucksystems die Federcharakteristik c und die Dämpfungscharakteristik d ermittelt, wobei Kolben und Fallgewicht zusammen als eine Masse betrachtet werden, welche unter dem Einfluß von c und d schwingt. Damit wird also das Drucksystem, in dem gemäß der Erfindung ein absolut definierbarer hydrodynami­ scher Druckimpuls bereitgestellt werden soll - sei es als dynamischer Druckstandard an sich oder aber für verschie­ dene Kalibrier- oder Meßzwecke - als Schwingsystem mit einer bestimmten Feder - und Dämpfungscharakteristik be­ trachtet, wobei der die Anregungsenergie übertragende Kolben zusammen mit dem Fallgewicht als sogenannter Ein- Massenschwinger angesehen wird. Zur exakten Beschreibung des Systems müßte eigentlich von einem Zwei-Masseschwinger ausgegangen werden, da auch zwischen dem Fallgewicht und dem Kolben Feder- und Dämpfungswirkung auftritt, was aber die Auswertung der Messungen und damit die Definition des Druckimpulses sehr erschwert. Es hat sich aber gezeigt, daß mit dem Modell des Ein-Massenschwingers eine sehr hohe Genauigkeit bei der mathematischen Beschreibung der erzeug­ ten hydrodynamischen Druckimpulse erzielt werden kann, so­ ferne nur das Verhältnis der Masse des Fallgewichts zur Masse des Kolbens etwa im Bereich von 100:1 und darüber an­ gesetzt werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden bei gleichbleibender Masse des Fallgewichts mehrere Druck­ impulse in zeitlicher Aufeinanderfolge und mit unterschied­ licher Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichts ausgelöst, welche damit unterschiedliche zeitliche Breiten und Ampli­ tudenhöhen aufweisen, wobei aus den so punktweise ermittel­ ten Federkonstanten c _i und Dämpfungskonstanten d _i die Federcharakteristik c und Dämpfungscharakteristik d er­ mittelt werden. Da die Federkraft eine nicht-lineare Funk­ tion des Verschiebungsweges der Masse und ebenso die Dämpfungskraft nicht direkt proportional zur Geschwindig­ keit der Masse ist, muß davon ausgegangen werden, daß eine Federcharakteristik und eine Dämpfungscharakteristik er­ mittelt werden müssen, um das Drucksystem im gesamten in­ teressierenden Druckbereich beschreiben zu können. Nach der genannten Ausgestaltung werden für verschiedene Auf­ treffgeschwindigkeiten des Fallgewichts punktweise die zu­ gehörigen Konstanten des Systems ermittelt, die in der Zu­ sammenschau die entsprechende Charakteristik über den interessierenden Druckbereich ergeben. Wesentlich für die Ermittlung der relevanten Systemkonstanten bzw. System­ charakteristiken ist damit die Erzeugung von Druckstößen mit verschieden hohen maximalen Amplituden unter sonst konstanten Systembedingungen; d.h. konstanter Masse von Fallgewicht und Kolben und konstantes Ausgangsvolumen der in der Meßkammer befindlichen Flüssigkeit. Nur unter diesen Umständen gilt, daß für jeden Druckimpuls das gleiche systemeigene Feder- bzw. Dämpfungsverhalten wirksam ist. Verschieden hohe Amplituden der einzelnen Druckimpulse werden dann ausschließlich durch Variation der Anfangs­ energie - das ist die kinetische Energie von Kolben und Fallgewicht unmittelbar nach deren Berührung, abhängig von der jeweiligen Fallhöhe des Fallgewichts - erzeugt.

Nähere Ausführungen zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens sind auch in der Figurenbeschreibung enthalten, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen hier nur auf diese Stellen verwiesen wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß zur Bestimmung der kinetischen Energie die Geschwindigkeit des Fallgewichts unmittelbar vor der Zu­ sammenwirkung mit dem Kolben ermittelt wird. Dies ermög­ licht vorerst eine sehr einfache und sehr genaue Feststel­ lung der den Kolben beaufschlagenden kinetischen Energie, die sich von der vom Kolben übertragenen praktisch nur durch den Impulsverlust über den Kolben unterscheidet, und damit eine erhöhte Genauigkeit der Aussagen bezüglich der absoluten Parameter des dynamischen Druckimpulses.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorge­ sehen sein, daß die Dauer der Zusammenwirkung zwischen Fall­ gewicht und Kolben bestimmt und zur Kontrolle bzw. Korrek­ tur der zeitrichtigen Erfassung des Druckimpulses verwen­ det wird. Da eine Energieübertragung vom Fallgewicht auf den Kolben und von diesem auf die zu komprimierende Flüssig­ keit nur während der Zusammenwirkung zwischen Fallgewicht und Kolben (diese kann direkt oder über zwischengeschaltete Elemente erfolgen) stattfinden kann, ist die tatsächlich nachweisbare zeitliche Dauer des Druckimpulses direkt mit der Dauer der Zusammenwirkung der genannten Teile verknüpft, was eine einfache Kontroll- bzw. Korrekturmöglichkeit er­ gibt.

Zur absoluten dynamischen Kalibrierung eines Druck­ sensors mit dem bereitgestellten Druckimpuls kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der relative zeitliche Verlauf des Druckimpulses unter Ein­ beziehung der Ausgangssignale des zu kalibrierenden Druck­ sensors aufgenommen werden. Damit kann ein zusätzlicher Drucksensor entfallen; der absolut zu kalibrierende Drucksensor liefert selbst das vorerst nur bezüglich des relativen zeitlichen Verlaufs wesentliche Signal.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zur Bestimmung der dynamischen Kompressibilität der von der Meßkammer umschlossenen Flüssigkeit zusätzlich das Ausgangs- Innenvolumen der Meßkammer bestimmt werden. Dies ermöglicht eine andere vorteilhafte Ausnützung der Erfindung zur Mes­ sung bzw. Bestimmung einer vorerst unbekannten dynamischen Kompressibilität einer Flüssigkeit, wobei der zugehörige Formalismus im folgenden der Vollständigkeit halber kurz angeführt ist:

mit:
cFedersteifigkeit AKolbenquerschnitt VAusgangsvolumen

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer weitgehend starr begrenzten Meßkammer, einer von dieser umschlossenen Flüssigkeit, sowie einer Kompressionseinrichtung zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer zumindest eine abgedichtete Durchtrittsöffnung in der Begrenzung, in der ein von außen dynamisch betätig­ barer Kolben der Kompressionseinrichtung geführt ist, sowie einen Drucksensor aufweist, und daß die Kompressionsein­ richtung weiters ein Fallgewicht bestimmter Masse aufweist, welches an einer Führungseinrichtung geführt ist und mit dem Kolben zusammenwirkt. Damit ergibt sich ein einfacher Aufbau der Einrichtung und - zufolge der Ausnutzung der vom Fallgewicht gelieferten kinetischen Energie - die Mög­ lichkeit zur Erreichung einer hohen Reproduziergenauigkeit.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einrich­ tung zeichnet sich dadurch aus, daß die Durchtrittsöffnung für den Kolben an der Meßkammer mit einer reibungsarmen, druckkompensierten Dichtung gegen den Kolben versehen ist. Die Dichtung kann in diesem Zusammenhang weiters an der dem Innenvolumen der Meßkammer zugewandten Seite einen ringför­ migen Ansatz konzentrisch zum Kolben aufweisen, dessen Dimensionen so abgestimmt sind, daß der Dichtspalt zum Kol­ ben im auftretenden Druckbereich weitgehend konstant ist. Damit kann über einen relativ weiten Druckbereich (piezo­ elektrische Druckaufnehmer der obenstehend bereits bespro­ chenen Art werden beispielsweise mit Druckimpulsen einer Dauer zwischen 1 und 5 ms und einer absoluten Druckhöhe von etwa 1000 bis 8000 bar geprüft) Konstanz der Bewegungsver­ hältnisse zwischen Kolben und Dichtung angenommen und davon abgesehen eine dichte und reibungsarme Durchführung des Kolbens sichergestellt werden.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich des aus der Meßkammer herausstehenden Endes des Kolbens eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung für das Fall­ gewicht angeordnet, welche insbesonders berührungslos, z.B. mittels Lichtschranken, arbeitet. Diese Ausgestaltung dient einer genaueren Bestimmung der tatsächlich auf den Kolben und damit auf die Flüssigkeit einwirkenden kinetischen Ener­ gie, welche prinzipiell aber auch einfach über die Umrech­ nung der Fallhöhe erfolgen könnte.

Die Führungseinrichtung für das Fallgewicht kann nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit Führungsschienen zusammenwirkende selbstzentrierende Luft­ lager zur Reduzierung der Reibung aufweisen, was eine re­ produzierbare Erzeugung von bestimmten Geschwindigkeiten des Fallgewichtes erleichtert.

An der Führungseinrichtung können in weiterer Ausgestal­ tung der Erfindung beispielsweise mittels Rasten definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht vorgegeben sein, was die reproduzierbare Bereitstellung bestimmter kinetischer Energien erleichtert.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann das Innenvolumen der Meßkammer mit einer Füllvorrichtung für die Flüssigkeit in Verbindung stehen, wobei die Füllvorrich­ tung einen Anschlagteil für den Kolben aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs-Innenvolumens erlaubt. Die Verbindung dieser Füllvorrichtung mit der Meßkammer kann entweder während der eigentlichen Druckbe­ aufschlagung derselben überhaupt entfernt sein oder aber durch ein geeignetes Rückschlagventil oder dergleichen unterbrochen werden.

Für die Flüssigkeit in der Meßkammer gelten im wesentli­ chen nur die folgenden Voraussetzungen: Sie darf bei hohen Drücken (bis zu 8 kbar und darüber) nicht fest werden, soll möglichst lineare Kompressibilitätscharakteristik aufweisen, soll auch bei hohen Drücken die Schmierfähigkeit nicht ver­ lieren und schließlich zufolge einer entsprechenden Zäh­ flüssigkeit eine einfache Abdichtung der Meßkammer ermögli­ chen. Besonders geeignet haben sich unter diesen Voraus­ setzungen insbesonders Glycerin oder Methylalkohol erwiesen; prinzipiell sind aber auch verschiedene andere bekannte Flüssigkeiten einsetzbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Entgasungseinheit für die Flüssigkeit vorgesehen, welche eine blasenfreie Zuführung über die Fülleinrichtung sicherstellt. Damit sind reproduzierbare Rand- bzw. Anfangsbedingungen in der Meßkammer gegeben, was ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit der über die Druckimpulse möglichen Aussagen beiträgt. Als Entgasungsein­ heit kommen dabei entweder Vorrichtungen in Betracht, welche die Meßkammer beim Einfüllen der Flüssigkeit bzw. beim Ein­ bau verschiedener Drucksensoren oder sonstiger, mit der Flüssigkeit in Berührung kommender Teile so ausrichten, daß eventuelle Luftblasen nach oben entweichen können, oder aber Anordnungen, die etwa über eine chemische Vorbehandlung der mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Oberflächen, oder über Ultraschall od. dgl. ein Anhaften von Luftblasen an derartigen Oberflächen verhindern.

Die das Fallgewicht tragenden Teile der Einrichtung können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gegenüber dem Kolben elektrisch isoliert sein, wobei weiters eine Zeitmeßeinheit vorgesehen ist, welche leitend mit Fallgewicht und Kolben verbunden ist und zur Bestimmung der Kontaktzeit dieser Teile dient. Damit ist - wie obenstehend bereits angesprochen - eine Kontrolle der z.B. über einen Druckaufnehmerausgang zugänglichen Druck­ impulsdauer möglich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können schließlich der Durchtritt des Kolbens sowie des/der Druck­ sensor(en) zumindest annähernd symmetrisch zur inneren Begrenzung der Meßkammer angeordnet sein, womit sich ein­ fachere Verhältnisse im Hinblick auf die Ausbreitung der Druckimpulse in der Flüssigkeit ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die wesentlichen Teile des Drucksystems einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 zeigt einen Feder-Masseschwinger,

Fig. 3 zeigt den Verlauf des Druckes p bzw. Schwingweges x aufgetragen über der Zeit t bei den idealisiert betrachteten Einrichtungen nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf x(t) des Schwingweges jeweils für die erste halbe Periode der Schwingung eines Schwingsystems mit Ein-Massenschwinger mit nicht-linearem Feder- bzw. Dämpfungsverhalten; eine derartige Anordnung ist in

Fig. 5 mit den wesentlichen Parametern dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ein­ richtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7 zeigt eine Ansicht der Einrichtung nach Fig. 6 entlang des Pfeiles VII in Fig. 6,

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Meßkammer der Ein­ richtung nach den Fig. 6 und 7 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 entsprechende Darstellung einer anders ausgebildeten Meßkammer,

Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch das Fallgewicht einer anderen Ausführung nach der Erfindung im Bereich der Führungsschienen und

Fig. 11 zeigt eine teilweise Ansicht einer weiteren Ein­ richtung nach der vorliegenden Erfindung während dem Auffüllen mit Flüssigkeit.

Am Beispiel der Hochdruckindizierung - insbesonders etwa wesentlich im Zusammenhang mit der Messung der Druckent­ wicklung im Pulverraum einer Patronenhülse nach dem Aus­ lösen des Schusses - kann gezeigt werden, wie mit einem kalten Druckstoß die Druckentwicklung im Pulverraum der Patronenhülse mechanisch simuliert werden kann und unter welchen Voraussetzungen dieser Druckstoß mathematisch bzw. absolut erfaßbar ist.

Für den Druckverlauf beim Schuß - sehr schnelle Kom­ pression; 0,5 bis einige msek auf Druckspitzen bis zu eini­ gen kbar - ergibt sich für die genannte Kompressionsphase eine Kurve, die zumindest in erster Näherung mit dem Verlauf einer harmonischen Funktion (Sinus-Halbperiode) verglichen werden kann. Ein harmonischer Bewegungsablauf wird mecha­ nisch beispielsweise mit einem Feder-Masseschwinger, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, erzeugt. Mit der Verwendung eines in entsprechenden Grenzen kompressiblen Mediums (hier der Flüssigkeit) als Feder sowie eines Kolbens anstelle der Schwingmasse m, der diese Feder in einer abgeschlossenen Meßkammer zusammendrückt, kann die dem Schwingweg x(t) proportionale Federkraft über den Kolbenquerschnitt A in Druck umgesetzt werden - siehe Fig. 1. Der in Fig. 3 dar­ gestellte Verlauf des Druckes p über der Zeit entsteht, wenn die Flüssigkeit (also das Druckübertragungsmedium) von der "Schwingmasse" mit der Anfangsgeschwindigkeit v _a komprimiert wird, wobei gilt v _a =x(t=0).

Mit dem in Fig. 1 dargestellten "Drucksystem" können also abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit v _a , Kompressi­ bilität K des Druckübertragungsmediums bzw. der Flüssigkeit mit dem Ausgangsvolumen V, Kolbenquerschnitt A und Kolben­ masse m Druckstöße bzw. hydrodynamische Druckimpulse mit verschieden hoher Amplitude und Dauer erzeugt werden, die zumindest mit dem Anstieg des Gasdrucks im Pulverraum einer Patronenhülse vergleichbar und mathematisch im Ideal­ fall wie der Feder-Masseschwinger behandelbar sind. Ins­ besonders gilt dabei nach dem oben gesagten die Beziehung

wobei c hier praktisch die von Kompressibilität K und Volumen V abhängige Federkonstante des Drucksystems dar­ stellt.

Der schematisch dargestellte Ein-Massenschwinger nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem Schwingsystem nach Fig. 2 im wesentlichen durch die hier nun mitberücksichtigte Dämpfung, die im vorliegenden Falle abhängig von der Kolben­ geschwindigkeit ist und im wesentlichen ausschließlich von der Reibung in der vom Kolben verdrängten Flüssigkeit her­ rührt. Bei angenommenen unterschiedlichen Anfangsgeschwin­ digkeiten (v _a1<v _a2<v _a3) entstehen - wie aus Fig. 4 er­ sichtlich ist - unterschiedlich hohe Maximalamplituden und auch ein zeitlich unterschiedlicher Verlauf des Druckimpul­ ses, da die geschwindigkeitsabhängige Dämpfung sich sowohl beim Druckaufbau als auch bei der Entlastung verzögernd auswirkt (siehe Fig. 5).

Die Einrichtung nach den Fig. 6 und 7 dient zur Bereit­ stellung eines definierten hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählbarer Dauer und Amplitude und besteht im wesentlichen aus einer weitgehend starr begrenzten Meß­ kammer 1, die eine von der Meßkammer umschlossene Flüssig­ keit enthält, sowie einer Kompressionseinrichtung 2 zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer 1 und einem hier nicht weiter dargestellten Drucksensor, der den in der Flüssigkeit der Meßkammer 1 auftretenden zeitli­ chen Druckverlauf relativ verfolgen kann. Die Meßkammer 1 weist eine abgedichtete Durchtrittsöffnung 3 in ihrer Be­ grenzung auf, in der ein von außen dynamisch betätigbarer Kolben 4 der Kompressionseinrichtung 2 geführt ist. Die Kompressionseinrichtung 2 weist weiters ein Fallgewicht 5 bestimmter Masse auf, welches an einer Führungseinrichtung 6 geführt ist und mit dem Kolben 4 zusammenwirkt.

Die Führungseinrichtung 6 der Kompressionseinrichtung 2 umfaßt hier zwei vertikale Säulen bzw. Führungsschienen 7, die ebenso wie die Meßkammer 1 selbst auf einer Grundplatte 8 aufstehen und an ihrem oberen Ende über ein entsprechen­ des Querhaupt 9 gehalten werden. Weiters ist ein Ständer 7′ vorgesehen, der ebenso zwischen Grundplatte 8 und Quer­ haupt 9 angeordnet ist. Die Führungseinrichtung 6 für das Fallgewicht 5 kann dabei - wie aus Fig. 10 ersichtlich ist - mit den Führungsschienen 7 zusammenwirkende, selbstzentrie­ rende Luftlager 10 zur Reduzierung der Reibung bei der Re­ lativbewegung zwischen Fallgewicht 5 und Führungsschienen 7 aufweisen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist sind an der Führungseinrichtung 6 bzw. am Ständer 7′ mittels Rasten 11 definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht 5 bzw. den Halter 5′ vorgegeben, die auch im Zusammenhang mit der genannten reibungsarmen Lagerung die Einhaltung von in be­ stimmten Grenzen reproduzierbaren Werten für die Auftreff­ geschwindigkeit des Fallgewichts 5 auf den Kolben 4 und damit für die über den Kolben 4 übertragbare kinetische Energie erlauben. Am Halter 5′ kann auf hier nicht darge­ stellte Weise z.B. eine elektromagnetisch betätigbare Halte­ und Auslösevorrichtung für das Fallgewicht 5 vorgesehen wer­ den.

Zur genauen Bestimmung der Auftreffgeschwindigkeit und damit der kinetischen Energie dient - wie aus Fig. 7 er­ sichtlich - eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 12 im Be­ reich des aus der Meßkammer 1 herausstehenden Endes des Kolbens 4, welche im dargestellten Falle berührungslos, beispielsweise mittels Lichtschranken, arbeitet und die Auftreffgeschwindigkeit des Fallgewichtes 5 bestimmt.

Nicht dargestellt in Fig. 6 und 7 sind weitere Zusatz­ einrichtungen, wie etwa eine erforderliche elektronische Auswerteeinheit, Verbindungskabel und dergleichen, da diese Teile für das Verständnis der Erfindung nicht wesent­ lich sind.

In den Fig. 8 und 9 sind Ausführungen von Meßkammern 1 näher dargestellt, die sich im wesentlichen nur dadurch unterscheiden, daß in Fig. 8 keine Drucksensoren an der inneren Begrenzung 13 der Meßkammer 1 angeordnet sind, wo­ gegen bei der Ausführung nach Fig. 9 zwei Drucksensoren 14 symmetrisch in die Meßkammer 1 bzw. deren die Flüssigkeit aufnehmenden Innenraum 15 ragen. In beiden Ausführungen nach Fig. 8 und 9 ist eine reibungsarme, druckkompensierte Dichtung 16 an der Durchtrittsöffnung 3 für den Kolben 4 vorgesehen, die an der dem Innenraum 15 der Meßkammer 1 zugewandten Seite einen ringförmigen Ansatz 17 konzentrisch zum Kolben 4 aufweist. Die Dimensionen dieses ringförmigen Ansatzes 17 - also seine Erstreckung in axialer Richtung, sein Innendurchmesser und sein Außendurchmesser - sind zu­ sammen mit der Werkstoffwahl der Dichtung so aufeinander abgestimmt, daß der Dichtspalt 18 zum Kolben 4 im auftreten­ den Druckbereich zumindest weitgehend konstant bleibt, was dadurch ermöglicht wird, daß der bei höheren Drücken an sich größer werdende Dichtspalt 18 durch die außen auf den Ansatz 17 wirkenden Radialkräfte zusammengedrückt wird.

Aus Fig. 11 ist schließlich noch eine Füllvorrichtung 19 ersichtlich, die auf hier nicht weiter dargestellte Weise mit dem Innenraum der Meßkammer 1 in Verbindung steht und einen Anschlagteil 20 für den Kolben 4 aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs-Innenvolumens der Meßkammer 1 erlaubt. In dieser Füllvorrichtung 19 bzw. auch separat davon könnte noch eine hier nicht dargestellte Entgasungseinheit für die Flüssigkeit vorgesehen sein, welche eine blasenfreie Zuführung über die Füllvorrichtung 19 zum Innenraum der Meßkammer 1 sowie u. U. auch eine bla­ senfreie Benetzung der Oberfläche sicherstellt.

Das Fallgewicht 5 bzw. die damit in Berührung stehenden Teile der Einrichtung könnten weiters auch auf nicht weiter dargestellte Weise gegenüber dem Kolben 4 elektrisch isoliert und über Verbindungsleitungen mit einer Zeitmeß­ einheit verbunden sein. Damit könnte auf sehr einfache Weise die tatsächliche Kontaktzeit zwischen Fallgewicht und Kolben bestimmt werden, die im idealisiert betrachteten Fall der Dauer des jeweils ausgelösten Druckimpulses ent­ spricht und damit als Kontrolle bzw. auch zur Korrektur ver­ wendet werden kann.

Claims (19)

1. Verfahren zur Bereitstellung eines hydrodynamischen Druckimpulses von in Grenzen wählbarer Dauer und Ampli­ tude, wobei eine von einer Meßkammer umschlossene Flüssig­ keit dynamisch komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die im abgeschlossenen Innenvolumen der Meßkammer be­ findliche Flüssigkeit mittels eines von außen dynamisch betätigbaren Kolbens beeinflußt wird,
• - die auf den Kolben und von diesem auf die Flüssigkeit übertragene kinetische Energie ermittelt wird,
• - der zugehörige zeitliche Verlauf des Druckimpulses relativ erfaßt wird und
• - die für die absolute Definition des Druckimpulses relevanten Feder- und Dämpfungscharakteristiken des Drucksystems aus der vom Kolben übertragenen kineti­ schen Energie und dem erfaßten zeitlichen Druckverlauf ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben von einem Fallgewicht bestimmter Masse betä­ tigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als relevante Systemkonstante des Drucksystems die Feder­ charakteristik c und die Dämpfungscharakteristik d ermittelt werden, wobei Kolben und Fallgewicht zusammen als eine Masse betrachtet werden, welche unter dem Ein­ fluß von c und d schwingt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichbleibender Masse des Fallgewichts mehrere Druckimpulse in zeitlicher Aufeinanderfolge und mit unterschiedlicher Auftreffgeschwindigkeit des Fallge­ wichtes ausgelöst werden, welche damit unterschiedliche zeitliche Breiten und Amplitudenhöhen aufweisen, und daß aus den so punktweise ermittelten Federkonstanten c _i und Dämpfungskonstanten d_i die Federcharakteristik c und Dämpfungscharakteristik d ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der kinetischen Ener­ gie die Geschwindigkeit des Fallgewichts unmittelbar vor der Zusammenwirkung mit dem Kolben ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dauer der Zusammenwirkung zwischen Fallgewicht und Kolben bestimmt und zur Kontrolle bzw. Korrektur der zeitrichtigen Erfassung des Druckimpulses verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur absoluten dynamischen Kalibrierung eines Drucksensors mit dem bereitgestellten Druckimpuls der zeitliche Verlauf desselben unter Einbeziehung der Ausgangssignale des zu kalibrierenden Drucksensors auf­ genommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Bestimmung der dynamischen Kompressibilität der von der Meßkammer umschlossenen Flüssigkeit zusätzlich das Ausgangs-Innenvolumen der Meßkammer bestimmt wird.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer weitgehend starr be­ grenzten Meßkammer, einer von dieser umschlossenen Flüssigkeit, sowie einer Kompressionseinrichtung zur dynamischen Kompression der Flüssigkeit in der Meßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (1) zumindest eine abgedichtete Durchtritts­ öffnung (3) in der Begrenzung, in der ein von außen dynamisch betätigbarer Kolben (4) der Kompressionsein­ richtung (2) geführt ist, sowie einen Drucksensor (14) aufweist, und daß die Kompressionseinrichtung (2) weiters ein Fallgewicht (5) bestimmter Masse aufweist, welches an einer Führungseinrichtung (6) geführt ist und mit dem Kolben (4) zusammenwirkt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (3) für den Kolben (4) an der Meßkammer (1) mit einer reibungsarmen, druckkompensier­ ten Dichtung (16) gegen den Kolben (4) versehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (16) an der dem Innenraum (15) der Meßkammer (1) zugewandten Seite einen ringförmigen An­ satz (17) konzentrisch zum Kolben (4) aufweist, dessen Dimensionen so abgestimmt sind, daß der Dichtspalt (18) zum Kolben (4) im auftretenden Druckbereich weitgehend konstant ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des aus der Meßkammer (1) herausstehenden Endes des Kolbens (4) eine Ge­ schwindigkeitsmeßeinrichtung (12) für das Fallgewicht (5) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Geschwindigkeitsmeßsystem (12) berührungslos, z.B. mittels Lichtschranken, arbeitet.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (6) für das Fällgewicht (5) mit Führungsschienen (7) zusammen­ wirkende, selbstzentrierende Luftlager (10) zur Re­ duzierung der Reibung aufweist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Führungseinrichtung (6), z.B. mittels Rasten (11) definierte Ausgangspositionen für das Fallgewicht (5) vorgegeben sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (15) der Meßkammer (1) mit einer Füllvorrichtung (19) für die Flüssigkeit in Verbindung steht, wobei die Füllvorrichtung (19) einen Anschlagteil (20) für den Kolben (4) aufweist, der die Einhaltung eines reproduzierbaren Ausgangs- Innenvolumens erlaubt.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entgasungseinheit für die Flüssigkeit vorge­ sehen ist, welche eine blasenfreie Zuführung über die Füllvorrichtung sicherstellt.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die das Fallgewicht tragenden Teile der Einrichtung gegenüber dem Kolben elektrisch isoliert sind und daß eine Zeitmeßeinheit vorgesehen ist, welche leitend mit Fallgewicht und Kolben verbunden ist und zur Bestimmung der Kontaktzeit dieser Teile dient.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtritt des Kolbens (4) sowie des/der Drucksensor(en) (14) zumindest annähernd symmetrisch zur inneren Begrenzung (13) der Meßkammer (1) angeordnet sind.