DE3707565A1 - Verfahren und einrichtung zur bereitstellung eines hydrodynamischen druckimpulses - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur bereitstellung eines hydrodynamischen druckimpulsesInfo
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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
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 di 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.
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ID=3497193
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DE102009027624A1 (de) | 2008-07-10 | 2010-01-14 | Huber, Karl, Prof. Dr. | Vorrichtung zur Kalibrierung von Drucksensoren |
DE102013204001A1 (de) * | 2013-03-08 | 2014-09-11 | Ifm Electronic Gmbh | Prüfeinrichtung zum Testen der Druckfestigkeit von Sensoren |
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ATA68886A (de) | 1989-10-15 |
GB2187850A (en) | 1987-09-16 |
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