EP0134793A1

EP0134793A1 - Hydraulischer druckaufnehmer

Info

Publication number: EP0134793A1
Application number: EP84900493A
Authority: EP
Inventors: Bruno Kägi
Original assignee: ST SENSORTECHNIK AG
Current assignee: ST SENSORTECHNIK AG
Priority date: 1983-01-31
Filing date: 1984-01-30
Publication date: 1985-03-27
Also published as: CH658726A5; WO1984002977A1; CA1211027A; US4604901A

Description

Hydraulischer Druckaufnehmer

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckaufnehmer, bei welchem sich die inkompressible Flüssigkeit in einem elastischen, von einem äusseren Druck beaufschlagbaren, rohrförmigen Gehäuse befindet, das mit einem Manometer oder Wandler verbindbar ist.

In vielen Bereichen der Technik finden hydraulische Druckaufnehmer Verwendung, welche in der Lage sind, sich ändernde äussere Belastungsverhältnisse aufzu¬ nehmen und an geeignete Messinstrumente oder Aufzeich¬ nungsmittel oder Signalumsetzer weiterzugeben. Hier¬ für befindet sich in einem ko pressiblen, an die Mess¬ mittel anschliessbaren Gehäuse aus beispielsweise gummiartigem Material eine inkompressible Flüssigkeit, wie Wasser. Es hat sich nun bei solchen Druckauf ehmer der vor¬ genannten Art gezeigt, dass lediglich sehr kurze, ge¬ drungene Druckauf ehmer, bei denen die Druckbelastung über die ganze Längserstreckung des Gehäusemantels gleichmässig erfolgen kann, präzise und immer gleiche relative Druckwerte an die Messmittel weiterleiten, indem solche Druckaufnehmer wie hydrostatische Kolben- Zylinder-Systeme wirken.

Sobald aber ein rohrförmiges Gehäuse von relativ gros- ser Länge verwendet wird, wie dies etwa zur Ueber- wachung von Druckänderungen über grosse Strecken oder Flächenbereiσhe notwendig ist, treten bei gleichen Druckbelastungen des Gehäuses grosse Abweichungen bei den gemessenen relativen Druckwerten auf und zwar in Abhängigkeit der Entfernung der Belastungsstelle vom Anschlusspunkt des elastischen Druckaufnehmergehäu¬ ses an die Messmittel.

Dies hat seine Ursache darin, dass im nicht mehr gleichmässig über seine ganze Erstreckung, sondern nun quasi punktförmig belasteten elastischen Gehäuse die

OMPI unter der Einwärtsdeformation eines Teils der Gehäu¬ sewandung verdrängte Flüssigkeit an anderer Stelle durch Auswärtsdeformation an der Gehäusewandung aus¬ weichen kann und zudem sich der Druckimpuls in der Flüssigkeit wellenförmig fortsetzt, wobei die Wellen¬ energie bekanntermassen mit dem Quadrate der Entfer¬ nung vom Wellenzentrum (Druckbeaufschlagungsstelle) abnimmt. Je weiter weg also vom Anschlusspunkt des elastischen Druckaufnehmers an die Messmittel die Druck¬ beaufschlagung am Gehäusemantel erfolgt, um so kleiner wird der gemessene relative Druckwert. Dies beschränkt natürlich den Anwendungsbereich solcher hydraulischer Druckaufnehmer in erheblichem Masse.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hydraulischen Druckaufnehmer der vorgenannten Art zu schaffen, der unter Vermeidung der geschilderten Nach¬ teile des bekannten Standes der Technik von erheblicher Länge und an beliebiger Stelle seines Gehäusemantels von Druck beaufschlagbar sein kann, ohne dass Abwei¬ chungen bei den relativen Messwerten gleicher Drücke an unterschiedlichen Stellen des elastischen Druck-

OMFI aufnehmergehäuses erwartet werden müssen.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass sich im Innern des rohrförmigen Gehäuses wenigstens ange¬ nähert mittig und in Gehäuselängsrichtung ein starres Rohr erstreckt, dessen Mantel mit der Innenwandung des Gehäuses einen Umfangsspalt begrenzt, der an bei¬ den Stirnseiten verschlossen ist, wobei das Innenrohr mit seinem einen Ende zum Anschluss an das Manometer oder den Wandler bestimmt ist und eine Mehrzahl über die ganze Rohrlänge verteilte Radial-Bohrungen auf¬ weist.

Durch diese Massπahmen ist es nunmehr möglich, zu¬ nächst die durch ein Ausweichen der Druckübertragungs¬ flüssigkeit entstehenden Fehler zu eliminieren, indem der Flüssigkeitsdruck nicht mehr im elastischen Druck¬ aufnehmergehäuse, sondern im starren Innenrohr ge¬ messen wird. Da aber zudem das Innenrohr mit einer Mehrzahl über die ganze Innenrohrlänge verteilte Ra¬ dial-Bohrungen versehen ist, an welchen bei einer Druckbeaufschlagung des elastischen Druckaufnehmer-

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gehäuses Querkomponenten der sich im Ringspalt aus¬ breitenden Druckwelle, nach der Lehre von der Ausbrei¬ tung von Wellen im Raum, neue, in das Innere des Innen¬ rohres gerichtete Wellenzentren bilden, erhält die im Innenrohr fortschreitend abnehmende Wellenenergie an jeder Stelle einer Radial-Bohrung einen den Energie¬ verlust ausgleichenden Energieimpuls.

Damit ergeben sich aber auch, unabhängig davon, an welcher Stelle des elastischen Gehäusemantels eine Druckbeaufschlagung erfolgt, für gleiche Drücke immer gleiche relative Druckmessungen.

Hierbei hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Radial-Bohrungen im Mantel des Innenrohres einen düsenartigen Durchmesser besitzen, und wenn weiter jeweils vorzugsweise drei Radial-Bohrungen in einer Schnittebene des Innen¬ rohres mit gleichem Winkelabstand am Umfang verteilt angeordnet sind, wobei sich solche Anordnungen von Radial-Bohrungen über die ganze Länge des Innenrohres mit vorgegebenen, vorzugsweise gleichen Abständen wiederholen.

Weiter ist es von Vorteil inbezug auf die Konstanz der Messergebnisse, wenn das Innere des Gehäuses unter einem Ueberdruck von vorzugsweise mindestens 0,01 BAR steh .

Im weiteren hat sich bewährt, wenn die inkompressible Flüssigkeit im Innern des Gehäuses Wasser, gegebenen¬ falls mit einem Frostschutzzusatz, ist.

Eine baulich einfache und robuste Konzeption des er- findungsgemässen hydraulischen Druckaufnehmers ergibt sich ferner dadurch, dass das Innenrohr stirnseitig am Gehäuse abgestützt ist, dass weiter das Innenrohr an seinem anschlusseitigen Ende ein Kup lungsstück trägt, das die eine Stirnseite des Gehäuses durchdringt, dass zudem das Innenrohr an seinem der Anschlusseite gegen¬ überliegenden Ende stirnseitig druckfest verschlossen ist und dass die verschlossene Stirnseite des Innen¬ rohres mit einer Entlüftungsschraube versehen ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Ver¬ wendung des erfindungsgemässen hydraulischen Druck¬ aufnehmers als Trittmatte durch Nebeneinanderanordnen einer Mehrzahl solcher Druckaufnehmer, welche mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar sind.

Eine beispielsweise Ausführungsform des Ξrfindungs- gegenstandes .ist nachfolgend anhand der Zeichnung, wel¬ che einen erfindungsgemässen hydraulischen Druckauf¬ nehmer in schaubildartiger Darstellung, teilweise im Schnitt, zeigt, näher erläutert.

Der veranschaulichte hydraulische Druckaufnehmer um- fasst zunächst in bekannter Weise ein elastisches Aussenrohr 1 aus einem geeigneten Elastomer oder dgl. von beispielsweise einer Gebrauchslänge von 100cm oder mehr. Der Querschnitt des Rohres 1 kann beliebig sein, und ist hier rechteckförmig angenommen. Die lichte Weite des Druckaufnahmerohres 1 kann beispielsweise 10x20mm betragen. Das Rohr 1 kann ferner auf eine nicht näher gezeigte Unterlage aufklebbar sein oder beispielsweise in nicht näher gezeigter Weise an einer

O PI Aussenwand ein Längsprofil zur Befestigung der Anord¬ nung an einer Bodenschiene tragen.

Erfindungsgemäss erstreckt sich nun im Innern des rohr¬ förmigen Gehäuses 1 mittig und in Gehäuselängsrichtung ein starres Rohr 2 aus einem geeigneten Material, beispielsweise Messing. Der Aussenmantel dieses Innen¬ rohres 2 und die innere Wandung des Gehäuses 1 be¬ grenzen dabei einen Umfangsspalt 3, der an seinen bei¬ den Enden durch Stirnflächen 5 und 6 am rohrförmigen Gehäuse 1 verschlossen ist. Hierbei stützen sich die Enden 8 und 10 in geeigneter Weise an den genannten Stirnflächen 5 bzw. 6 flüssigkeitsdicht ab. Das Innen¬ rohr 2 trägt ferner an seinem anschlusseitigen Ende 8 ein geeignetes Kupplungsstück 9, welches zweckmässig die betreffende Stirnseite 5 des Gehäuses 1 durch¬ dringt. Mit diesem Kupplungsstück 9 ist das Innenrohr 2 an hier nicht näher gezeigte Druckanzeigemittel oder Auswerteeinrichtungen oder Signalumwandler oder ähn¬ liches anschliessbar. An seinem anderen Ende 10 ist das Innenrohr 1 druckfest verschlossen, wobei diese Stirnseite des Innenrohres von einer Entlüftungsschrau-

OMH be 7 durchsetzt ist, die gestattet, das ganze System entsprechend zu entlüften. Vergleichsweise der lich¬ ten Weite des Gehäuses 1 ist der Durchmesser des Innen¬ rohres 2 relativ klein und beträgt hier beispielswei¬ se einen Aussendurchmesser von 5mm und einen Innen¬ durchmesser von 4mm. Selbstverständlich sind diese Werte nur Beispielsangaben, die zu den einleitend er¬ wähnten Ergebnissen geführt haben. Beliebige Abwei¬ chungen der Masse sind aber durchaus im Rahmen der Er¬ findung möglich.

Das Innenrohr 2 ist weiter in erfindungswesentlicher Weise mit einer Mehrzahl Radial-Bohrungen 4 versehen. Diese Radial-Bohrungen 4 weisen einen düsenartigen Durchmesser von hier beispielsweise 1mm auf und sind über die ganze Länge des Innenrohres 2 verteilt.

Es hat sich nun als wesentlich gezeigt, dass jeweils vorzugsweise drei Radial-Bohrungen 4 in einer Schnitt¬ ebene des Innenrohres 2 mit gleichem Winkelabstand am Umfang des Innenrohres verteilt angeordnet sind, wie das die Darstellung erkennen lässt. Weiter hat es sich

O PI als vorteilhaft gezeigt, wenn sich solche Anordnungen von Radial-Bohrungen über die ganze Länge des Innen¬ rohres 2 mit vorgegebenen, vorzugsweise gleichen Ab¬ ständen wiederholen. Diese Abstände können beispiels¬ weise 10cm betragen.

Das ganze vorbeschriebene System ist mit einer in- kompressiblen Flüssigkeit, beispielsweise mit Wasser, gegebenenfalls mit einem Frostschutzzusatz gefüllt und steht vorzugsweise unter einem Vorspannungsdruck von 0,01 bis beispielsweise 0,7 BAR, um den Druckwider¬ stand des elastischen Druckaufnehmergehäuses 1 zu er¬ höhen.

Wirkt nun an irgend einer Stelle des Aussenmantels des elastischen Gehäuses 1 eine Druckkraft P ein (Figur) , so erhält die Flüssigkeit im System durch die ent¬ sprechende Einwärtsdeformation des betroffenen Teils der Gehäusewandung einen Druckimpuls, der sich, wie einleitend beschrieben, wellenförmig im Umfangsspalt 3 fortsetzt. Auch hier wird dabei in Abhängigkeit der Entfernung des auslösenden Druckimpulses vom Anschluss- ende 5 des Systems die im Umfangsspalt 3 verdrängte Flüssigkeit durch mehr oder weniger starke Auswärts¬ deformation der Gehäusewandung ausweichen, was zu einem Druckabfall führt, zusätzlich der vorbeschrie¬ benen entfernungsbedingten Abnahme der Wellenergie.

Da nun aber die im Innenrohr 2 herrschende Druck¬ änderung gemessen wird und sich das Innenrohr 2 we¬ sentlich anders verhält als das elastische Aussenge- häuse, spielen diese vorerwähnten Druckverluste nun¬ mehr nur noch eine vernachlässigbare Rolle. Tatsäch¬ lich nämlich erzeugen die Querkomponenten der sich im Umfangsspalt 3 ausbreitenden Druckwelle an jeder Ra- dial-Bohrung 4 des Innenrohres 2 in das Innere des Innenrohres gerichtete Energieimpulse, die die im Innenrohr 2 fortschreitende Stosswelle an jeder Stelle einer Radial-Bohrungs-Anordnung energieerhöhend unter¬ stützen. Es hat sich dabei gezeigt, dass auf diese Weise bei praktisch beliebig langen Druckaufnehmerge¬ häusen und einer Druckbeaufschlagung an beliebiger Stelle des Gehäuses für gleiche Drücke immer gleiche relative Messwerte erreicht werden.

OMPI Durch die vorbeschriebenen erfindungsgemässen Mass- nahmen wird somit die Messgenauigkeit von hydrauli¬ schen Druckaufnehmern der hier infrage stehenden Art vergleichsweise den bekannten Systemen um ein Viel¬ faches erhöht und so der Anwendungsbereich solcher Systeme ganz erheblich erweitert.

So ist es nunmehr beispielsweise möglich, eine soge¬ nannte Trittmatte durch Nebeneinanderanordnen einer Mehrzahl solcher vorbeschriebenen hydraulischen Druck¬ aufnehmer zu bilden und das Ganze an eine entsprechen¬ de Auswerteeinrichtung anzuschliessen, um beispiels¬ weise der Orthopädie ein Diagnosemittel zur präzisen Messung und Aufzeichnung von Bewegungsabläufen beim Begehen der Trittmatte in die Hand zu geben. Weiter können etwa bei Sportlern die Belastungen der Sprung¬ beine oder andere Druck erzeugende Vorgänge überprüft werden. Nicht minder von Bedeutung ist eine solche Anlage für die Veterinärmedizin, um beispielsweise den Belastungsdruck der Hufe von über die Trittmatte geführten Tieren, wie Pferden, zu messen und aufzu¬ zeichnen.

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Claims

Patentansprüche

1. Hydraulischer Druckaufnehmer, bei welchem sich die inkompressible Flüssigkeit in einem elastischen, von einem äusseren Druck beaufschlagbaren, rohr¬ förmigen Gehäuse befindet, das mit einem Manometer oder Wandler verbindbar ist, dadurch gekennzeich¬ net, dass sich im Innern des rohrförmigen Gehäu¬ ses (1) wenigstens angenähert mittig und in Ge¬ häuselängsrichtung ein starres Rohr (2) erstreckt, dessen Mantel mit der Innenwandung des Gehäuses einen Umfangsspalt (3) begrenzt, der an beiden Stirnseiten (5,6) verschlossen ist, wobei das Innenrohr (2) mit seinem einen Ende (8) zum An¬ schluss an das Manometer oder den Wandler bestimmt ist und eine Mehrzahl über die ganze Rohrlänge verteilte Radial-Bohrungen (4) aufweist.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Radial-Bohrungen (4) im Mantel des Innenrohres (2) einen düsenartigen Durchmesser besitzen.

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3. Druckaufnehmer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vorzugsweise drei Radial-Bohrungen (4) in einer Schnittebene des Innenrohres (2) mit gleichem Winkelabstand am Um¬ fang verteilt angeordnet sind, wobei sich solche Anordnungen von Radial-Bohrungen über die ganze Länge des Innenrohres (2) mit vorgegebenen, vor¬ zugsweise gleichen Abständen wiederholen.

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Innere des Gehäuses (1) unter einem Ueberdruck von vorzugsweise mindestens 0,01 BAR steht.

5. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die inkompressible Flüssigkeit im Innern des Gehäuses (1) Wasser, gegebenenfalls mit einem Frostschutzzusatz, ist.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Innenrohr (2) stirnseitig (5,6) am Gehäuse (1) abgestützt ist. 15 -

7. Druckaufnehmer nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) an seinem anschlusseitigen Ende (8) ein Kupplungsstück (9) trägt, das die eine Stirnseite (5) des Gehäuses (1) durchdringt.

8. Druckaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Innenrohr (2) an seinem der Anschlusseite (8) gegenüberliegenden Ende (10) stirnseitig druckfest verschlossen ist.

9. Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die verschlossene Stirnseite (10) des Innenrohres (2) mit einer Entlüftungsschraube (7) versehen ist.

10. Verwendung des hydraulischen Druckaufnehmers nach Anspruch 1 als Trittmatte durch Nebeneinanderan¬ ordnen einer Mehrzahl solcher Druckaufnehmer, welche mit einer Auswerteeinrichtung verbindbar sind.

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