Vorrichtung zur Messung der Maximalwerte von Druckspitzen von flüssigen oder gasförmigen Medien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Maximalwerte von periodisch oder in zeitlich variabler Folge auftretenden Druckspitzen flüs siger oder gasförmiger Medien.
Es sind Instrumente bekannt, die insbesondere zur Messung der Spitzendrücke in Zylindern von Dieselmaschinen entwickelt wurden. Das Messprinzip dieser Instrumente besteht in der Regel darin, dass dem höchsten auftretenden Gasdruck eine entsprechende Federkraft gegenübergestellt wird, deren Grösse als Mass des auftretenden Maximaldruckes am Instrument abgelesen wird. Infolge der beträchtlichen Abmessungen und insbesondere der grossen, von den Gaskräften zu bewegenden Massen haben die bekannten Instrumente meist eine sehr niedrige Eigenschwingungszahl, so dass sie nur für relativ langsam laufende und deshalb grosse Maschinen Verwendung finden können; ihre Genauigkeit lässt zudem meist zu wünschen übrig.
Die Erfindung ermöglicht, die geschilderten Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie ist gekennzeichnet durch einen vom Medium beaufschlagten Messkolben und eine entgegen dem Mediumdruck auf den Messkolben mit einstellbarer Kraft wirkende Messfeder, weiter durch ein von der Bewegung des Messkolbens gesteuertes Ventil, das sich bei Bewegung des Messkolbens entgegen der auf ihn wirkenden Federkraft öffnet und das Medium auf einen Differentialkolben mit wesentlich grösserer wirksamer Kolbenfläche als diejenige des Messkolbens einwirken lässt, derart, dass bei die Kraft der Messfeder übersteigender, vom Medium auf den Messkolben aus geübter Druckkraft der Differentialkolben schlagartig gegen einen Anschlag bewegt wird, sowie schliesslich durch Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens und für die auf den Messkolben ausgeübte Federkraft.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich gegenüber bekannten Vorrichtungen der eingangs geschilderten Art durch wesentlich gesteigerte Genauigkeit der ermittelten Druckwerte aus. Dies wird insbesondere damit erreicht, dass selbst bei nur wenig die eingestellte Kraft der Messfeder übersteigender, vom Medium auf den Messkolben ausgeübter Druckkraft der Differentialkolben bei jeder neuen Druckspitze schlagartig aus seiner Ruhelage bewegt wird, und zwar praktisch unabhängig von der Grösse der Differenz zwischen der Federkraft und der vom Medium auf den Messkolben ausgeübten Druckkraft.
Solange eine Bewegung des Differentialkolbens erfolgt, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Kraft der Messfeder noch nicht derjenigen der zu messenden Druckspitze entspricht. Durch allmähliche Steigerung der Federkraft während des Messvorganges wird dann plötzlich der Zustand erreicht, wo die Bewegung des Differentialkolbens aufhört und die auf den Messkolben wirkenden Kräfte sich Gleichgewicht halten; die Kraft der Feder stellt dann direkt ein Mass für den maximalen Wert der zu messenden Druckspitzen dar.
Der Übergang zwischen periodischer Bewegung und Stillstand des Differentialkolbens ist hierbei scharf definiert. Mit Hilfe der Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens wird das Erreichen dieses Zustandes dem Messenden sofort erkennbar gemacht. Der Messende kann dann anhand der jeweils bei diesem Zustand vorhandenen Federkraft die Maximalgrösse der auftretenden Druckspitzen bestimmten.
Die Messung kann umgekehrt auch so ausgeführt werden, dass die Feder über den zu erwartenden Maximaldruck vorgespannt und dann die Federkraft allmählich verringert wird, bis plötzlich die Bewegungen des Differentialkolbens einsetzen. Es genügt dann, durch leichtes Vergrössern der Federkraft den Zustand herbeizuführen, wo diese Bewegungen gerade aufhören.
Die erhöhte Genauigkeit der ertindungsgemässen Vorrichtung wirkt sich insbesondere bei Messung von Druckspitzen mit höheren Frequenzen aus. Die Erfindung ermöglicht, die bewegten Massen sehr klein zu halten; damit gelingt es, bei einer Frequenz von beispielsweise 3000 Druckspitzen pro Minute die Maximalwerte auftretender Druckstösse noch einwandfrei zu messen.
Zweckmässig können Messkolben und Differentialkolben miteinander verbunden sein, zum Beispiel durch eine gemeinsame Kolbenstange. Das die Einwirkung des Mediums auf den Differentialkolben freigebende Ventil kann ferner vorteilhaft durch den Messkolben und eine mit einer Durchtrittsöffnung für das Medium versehene Sitzfläche gebildet sein, gegen welche die Stirnfläche des Messkolbens unter dem Einfluss der Messfeder in Ruhelage des Messkolbens dichtend gespresst wird.
Es empfiehlt sich, die Anzeigemittel für die Bewegung des Differentialkolbens als eine dessen Bewegung mitmachende, mit einer Spitze aus der Vorrichtung herausgeführte Nadel auszubilden; die Bewegung des Differentialkolbens kann dann auf einfachste Weise durch Abtasten der Nadel von Hand festgestellt werden. Es ist aber auch möglich, die Bewegung des Differentialkolbens mittels einer Tastuhr, die auf das Instrument aufgesetzt wird, zu messen.
Ferner ist auch eine Ausführung möglich, bei der Messkolben und Differentialkolben als getrennte Teile ausgebildet sind, wobei zur Rückführung des Differentialkolbens in die Ruhelage eine Hilfsfeder dient. Zweckmässig kann die auf den Messkolben wirkende Federkraft mit Hilfe einer Mikrometerschraube einstellbar sein. Weiter können Mittel zum Fixieren der während des Messvorganges eingestellten Kraft der Messfeder vorhanden sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann schliesslich die Vorrichtung aus einem als Absperrorgan ausgebildeten Verbindungsstück und einem in dasselbe einschraubbaren Messteil bestehen; hierbei kann zweckmässig das Verbindungsstück mit einem federbelasteten Ventil versehen sein, das den Zutritt des Mediums zum Messteil erst freigibt, nachdem der Messteil voll eingeschraubt ist.
Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend anhand zweier in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus einem Messteil und einem Verbindungsstück bestehende Vorrichtung im Längsschnitt durch die Mittelachse bei geöffnetem Absperrorgan im Verbindungsstück, und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Verbindungsstück gemäss Fig. 1 bei geschlossenem Absperrorgan und ausgeschraubtem Messteil,
Fig. 3 die untere Partie eines Messteiles mit getrenntem Differential- und Messkolben im Längsschnitt durch die Mittelachse, ohne Verbindungsstück.
Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Vorrichtung besitzt ein Verbindungsstück 1, das in ein Gewindeloch in der Wand des zu überwachenden Druckraumes eingeschraubt werden kann, zum Beispiel in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors.
Das Verbindungsstück 1 enthält ein Absperrorgan in Form eines federbelasteten Kegelventils 3, das den Druckraum gemäss Fig. 2 abschliesst, solange der Messteil 2 nicht in das Verbindungsstück 1 eingeschraubt ist. Beim Einschrauben des Messteiles öffnet sich das Ventil 3 vorerst so weit, dass ein pulsierender Durchtritt des Mediums durch die Ausblasöffnungen 4 entsteht. Dadurch werden allfällige Verunreinigungen vor dem Messteil ausgeblasen. Beim vollständigen Einschrauben des Messteiles gemäss Fig. 1 entsteht zwischen dem nunmehr völlig geöffneten Kegelventil 3 und dem Messteil eine gasdichte Verbindung.
Der Messteil 1 (Fig. 1) enthält den in Achsrichtung verschiebbar geführten Körper 5, der an einem Ende den Differentialkolben 6 und den Messkolben 7 aufweist. Die Stirnseite des Messkolbens 7 ist auf dem Ventilsitz 8 gasdicht aufgeläppt. Der Schaft 5a des Körpers 5 ist in der Büchse 9 geführt und trägt an seinem halbkugelig ausgebildeten Ende den Federteller 10. Die Messfeder 11 stützt sich auf den Federteller 10 ab und wird durch die Mikrometerschraube 12 gespannt. Das Mass der Federspannung bzw. der auf den Messkolben 7 wirkenden Federkraft kann mittels der Mikrometerhülse 13 auf einer nicht gezeichneten Mikrometerteilung abgelesen werden, die auf der Aussenseite des Gehäuses 14 eingraviert ist.
Um ein einwandfreies Ablesen des Messresultates bei schwer zugänglichen Messstellen zu erleichtern, kann mittels der Rändelschraube 15 eine Verstellung der Messhülse 13 beim Ausschrauben des Messteiles 2 aus dem Verbindungsstück verhindert werden. Hierzu ist die Mikrometerschraube 12 geschlitzt und wird mittels einer Konusbüchse 16 beim Anziehen der Rändelschraube 15 gegen den Gewindeteil des Gehäuses 14 gespreizt, womit die jeweils eingestellte Federkraft fixiert wird. Messhülsc 13 und Mikrometerschraube 12 sind fest miteinander verbunden.
Ferner weist das Gehäuse 14 des Messteiles 2 geeignete Oberflächenteile 17 auf, die Verzahnungen oder Schlüsselflächen bilden und das Einschrauben des Messteiles in das Verbindungsstück erleichtern.
Zum Anzeigen der Bewegungen des Differentialkolbens 6 ist der Federteller 10 mit der Fühlernadel 18 verbunden, die an ihrem Ende leicht zugespitzt ist und etwas über die Rändelschraube 15 vorragt.
Die Fühlernadel 18 ist frei längsverschiebbar durch die Konusbüchse 16 geführt; die Konusbüchse 16 ihrerseits ist desgleichen längsbeweglich in der Mikrometerschraube 12 gelagert.
Die als Variante in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Messteiles 2 besteht wiederum aus einem in der Achsrichtung verschiebbar in der Büchse 9 geführten Körper 25, der am unteren Ende den Messkolben 23 trägt, welcher auf dem Ventilsitz 8 aufgeläppt ist. Am oberen Ende ist der Körper 25 halbkugelig ausgeführt, damit vom Federteller 26 keine Biegungsmomente auf den Körper 25 übertragen werden können. Der Differentialkolben 24 ist in Achsrichtung frei gleitend auf den unteren Teil des Körpers 25 aufgepasst und überträgt seine Bewegung mittels eines Stiftes 22 auf die in Achsrichtung ebenfalls frei bewegliche Fühlernadel 27. Der Differentialkolben 24 ist an seinem Aussendurchmesser mittels Labyrinthrillen im Messteil 2 abgedichtet und wird durch eine Hilfsfeder 28 in die untere Anschlagstellung gedrückt.
Sobald das Druckmedium infolge Abhebens des Messkolbens 23 unter den Differentialkolben 24 gelangt, wird derselbe gegen die Kraft der Hilfsfeder 28 schlagartig gegen den Anschlag 20 gepresst, wobei das durchtretende Leckmedium durch die Öffnung 21 entweicht. Die Fühlernadel 27 ist mit genügend Spiel durch den Federteller 26 und den Körper 25 hindurchgeführt und sitzt auf einem Querstift 22, der sich in einem Schlitz des Körpers 25 frei in Achsrichtung bewegen kann.
Eine Messung wird in folgender Weise durchgeführt, wobei sich die Bezeichnungen auf Fig. 1 und 2 beziehen:
Nach dem Einschrauben des Messteiles 2 in das Verbindungsstück 1 wird die zweckmässig über den zu erwartenden Höchstdruck hinaus vorgespannte Feder 11 durch Lösen der Mikrometerhülse 13 langsam entspannt. Sobald die auf den Messkolben 7 wirkende Federkraft etwas kleiner als der Maximalwert der durch das Medium auf den Messkolben ausgeübten Kraft ist, wird der Messkolben 7 leicht angehoben. Dadurch tritt das Medium in den Raum 19 ein, und der Differentialkolben 6 wird infolge der mehrfach vergrösserten wirksamen Kolbenfläche schlagartig entgegen der Federkraft gegen die einen Anschlag bildende Dichtfläche 20 der Büchse 9 gedrückt. Der Differentialkolben 6 ist mittels Laby rinthrillen in seiner Bohrung abgedichtet.
Durchströmende Leckgase können durch die Bohrung 21 entweichen, welche auch dafür sorgt, dass nur Über- druck gegenüber dem Atmosphärendruck gemessen wird. Die schlagartige Bewegung des Differentialkolbens, die mit der Frequenz der auftretenden Druckstösse erfolgt, wird über die Fühlernadel 18 direkt auf den Fühlfinger des Messenden übertragen und kann von demselben mit Leichtigkeit festgestellt werden. Der Messende wird nun durch feines Lösen und Spannen der Messhülse 13 den Punkt suchen, wo die Sprungbewegung der Fühlernadel sich an der Grenze zum Ruhezustand befindet. Dies ist eindeutig der Fall, wenn die maximale Druckkraft des Mediums durch die Kraft der Messfeder gerade kompensiert wird.
Hierauf wird, wenn nötig, die Rändelschraube 15 fest angezogen und der Messteil zur genauen Ablesung der Mikrometereinstellung aus dem Verbindungsstück 1 herausgeschraubt. Weil das Mass der Federspannung linear mit dem maximalen Mediumdruck in Zusammenhang steht, ist die Mikrometereinteilung zweckmässig direkt auf Druckwerte geeicht.
Es ist ohne weiteres möglich, die Vorrichtung sowohl für flüssige wie auch für gasförmige Medien zu benützen, jedoch muss dabei berücksichtigt werden, dass je nach den auftretenden Viskositäten verschiedene Passungen des Differentialkolbens 6 sowie verschiedene Flächenverhältnisse der wirksamen Kolbenflächen von Differentialkolben 6 und Messkolben 7 gewählt werden müssen.
Genau gleich wird eine Messung mit der Vorrichtung nach Fig. 3 ausgeführt. Diese eignet sich besonders für niedrige Druckwerte und für Messungen, deren Spitzenwerte nur wenig über einem Durchschnittswert liegen.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr könnte zum Beispiel der Messkolben auch in einem Messzylinder verschiebbar angeordnet sein und bei Bewegung entgegen der auf ihn wirkenden Federkraft eine in der Zylinderwand befindliche Bohrung freigeben, welche mit einem vom Differentialkolben abgeschlossenen Druckraum in Verbindung steht. In einer weiteren Ausführungsform könnte der Messkolben auch mit einem separaten, die Bewegung des Messkolbens mitmachenden Ventilkörper verbunden sein, der den Zutritt des Mediums zum Differentialkolben steuert.
Ferner sind ohne weiteres auch andere Anzeigemittel als die beschriebene Fühlernadel für die Bewegung des Differentialkolbens möglich. Zum Beispiel könnte die Kolbenstange des Differentialkolbens einen Magnetkörper tragen, der von einer festen Induktionsspule umschlossen wird. Die Bewegung des Differentialkolbens erzeugt dann Spannungsspitzen in der Spule, welche mit Hilfe eines elektrischen Anzeigeinstrumentes sichtbar gemacht werden können.
Schliesslich könnten anstelle der beschriebenen Schraubenfeder auch andere Federmittel auf den Messkolben wirken, zum Beispiel pneumatische Federmittel mit einstellbarem Druck des Druckmittels, wobei die Ablesung der erzeugten Druckkraft auf den Messkolben mit Hilfe eines Manometers erfolgen könnte.