DD277522A1

DD277522A1 - Kraftsensor mit hydraulischer uebertragung

Info

Publication number: DD277522A1
Application number: DD32247688A
Authority: DD
Inventors: Roland Braun; Peter Otto; Albert Schwarz; Michael Naumann; Mirko Wolf
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1990-04-04

Abstract

Ein Kraftsensor fuer den Einsatz unter extremen Bedingungen wie die Messung hoher Kraefte bei hohen Druecken und hohen Temperaturen wird beschrieben. Erfindungsgemaess wird der Kraftsensor, der wie prinzipiell alle Kraftsensoren aus einem Verformungs- und einem Sensorelement besteht, raeumlich in beide Teile getrennt. Das Verformungselement befindet sich an der Stelle der Kraftmessung und besteht aus einem doppelwandigen Behaelter, zwischen beiden Behaeltern befindet sich ein Gasspalt, waehrend der Innenbehaelter mit einer Fluessigkeit gefuellt ist. Die Kraftmessung beruht auf der Verdraengung dieser Fluessigkeit. Ausserhalb der Kammer unter Normalbedingungen ist das Sensorelement angeordnet, das die verdraengte Fluessigkeitsmenge, die der Kraft proportional ist, detektiert. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, der für die Messung hoher Kräfte unter extremen Bedingungen wie hoher Druck und hohe Temperatur z. B. in der Karmän-Kammer geeignet ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannte technische Lösungen sind in der einschlägigen und Patentliteratur in großer Anzahl beschrieben. Es handelt sich dabei um Kraftsensoren, die mit Hilfe eines Verformungskörpers und eines Sensorelementes, die beide auch in einem Bauelement realisiert sein können, die Verformungen direkt in elektrische Signale umwandeln. Im Speziellen werden hydraulische und pneumatische Kraftsensoren beschrieben, bei denen das Verformungs- und das Sensorelement voneinander räumlich getrennt und durch eine hydraulische bzw. pneumatische Übertragung miteinander verbunden sind (DD 147281, DD 54502, DE 1926994, DE 2014670, DE 2037060, DE 2004315, DE 2331399, DE 2421350, DE 2834134, DE 2917363, US 3933034, US 3978722, US 4198857, US 4494412, US 4546657, US 4563906). Je nach Auslegung des Verformungskörpers, der sich an der Stelle der zu messenden Kraft befindet, können unterschiedlich große Kräfte gemessen werden. Das Sensorelement befindet sich dabei unter Umständen weit von der Kraftmeßstelle entfernt.

Nachteilig bei allen diesen Lösungen macht sich jedoch bemerkbare daß sie für den Einsatz unter gleichzeitig auftretendem hohem Außendruck auf den Kraftsensor und hoher Temperatur ungeeignet sind. Die bekannten technischen Lösungen weisen keine Kompensation bzw. Berücksichtigung hoher Außendrücke auf, was unter diesen Bedingungen zu Meßfehlern führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Kraftsensor für hohe Kräfte vorzuschlagen, der unter hohem Druck und hoher Temperatur einsetzbar ist. Dieser Sensor ermöglicht z. B. bei komplexen Gesteinsuntersuchungen in der Kärmän-Kammer Messungen mit höherer Genauigkeit. Dadurch sind Aussagen zu Fragen der Bohrlochsicherhett, der Standortsicherheit im untertägigen Bergbau, der Lagerstättenerkennung und der geophysikalischen Grundlagenforschung mit höherer Wertigkeit zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor zu entwickeln, der von äußeren Druck- und Temperatureinflüssen weitestgehend entkoppelt ist.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß der Kraftsensor mit hydraulischer Übertragung zwischen Verformungskörper und Sensorelement einen doppelwandigen Verformungskörper besitzt. Diese Verformungskörper - vorzugsweise zwei konzentrische Hohlzylinder-sind durch einen Spalt voneinander getrennt, derein Gas mit atmosphärischem oder geringerem Druck enthält. Der Innenzylinder ist mit einer Sensorflüssigkeit gefüllt. Beide Zylinder sind mit zwei gemeinsamen Stirnflächen versehen, die sowohl die innere Sensorflüssigkeit gegen den Spalt als auch diesen gegen die Umgebung abdichten. An einer beliebigen Stelle des Innenzylinders (z. B. in einer Stirnfläche im Bereich des Innenzylinders) befindet sich eine Bohrung, durch die die Sensorflüssigkeit des Innenzylinders ein- oder austreten kann und über eine Rohrleitung zum Sensorelement gelangt.

Zusätzlich weist der Kraftsensor eine Temperaturkompensation auf. Diese wird dadurch erreicht, daß sich innerhalb des Innenzylinders ein Bauelement befindet, das aufgrund seiner Wärmedehnung die Wärmedehnungen der Sensorteile und der -flüssigkeit und die somit resultierende Volumenänderung ausgleicht. Vorzugsweise besteht dieses Bauelement aus einem Faltenbalg, der durch ein temperaturabhängiges Verformungselement eine Volumenänderung des Raumes der Sensorflüssigkeit bewirkt.

Bei Funktion des Kraftsensors ist dessen Innenzylinder einschließlich der sich daran anschließenden Bohrung und Rohrleitung bis zum Sensorelement mit der Sensorflüssigkeit gefüllt. Eine zu messende Kraft verursacht eine axiale Verformung beider Zylinder, woraus eine Volumenänderung resultiert. Das durch die Bohrung verdrängte Flüssigkeitsvolumen ist der zwischen den Stempeln wirkenden Kraft proportional. Am Sensorelement, das kapazitiv, induktiv, optisch oder ähnlich arbeiten kann, wird das verdrängte Flüssigkeitsvolumen vorzugsweise in Form einer Wegänderung gemessen.

Der Kraftsensor ist aufgrund seines erfindungsgemäßen Aufbaus unter hohem Außendruck anwendbar. Dieser wirkt auf den Außenzylinder und deformiert diesen axial und radial.

Sowohl die radiale als auch die axiale Deformation infolge Außendruck treten aufgrund des Gasspalts nur beim Außenzylinder auf, so daß keine Flüssigkeit durch den Außendruck verdrängt und das Meßsignal nicht beeinflußt wird.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors in Form eines vorzugsweise Doppelhohlzylinders mit dazwischenliegendem Gasspalt werden Fehler durch den Druck innerhalb der Druckkammer vermieden. Darüber hinaus kann der Sensor wegen der vorhandenen Temperaturkompensation auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist die Richtungsunabhängigkeit.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1: Prinzipielle Darstellung des Kraftsensors mit außerhalb der Druckkammer befindlichen Sensorelement Fig. 2: Prinzipielle Darstellung möglicher Varianten der Temperaturkompensation

Fig.3: Prinzipielle Darstellung des Kraftsensors mit außerhalb der Druckkammer befindlicher Temperaturkompensation und Sensorelement

Ausführungsbeispiel 1

Bei der Realisierung des Kraftsensors (Fig. 1) befindet sich innerhalb einer Druckkammer 1 zwischen zwei Stempeln 2; 3 der Verformungskörper bestehend aus den konzentrischen Hohlzylindern 4; 5, dem Spalt 6 zwischen dem Außen- 5 und Innenzylinder 4 gefüllt mit Gas, der Flüssigkeitsfüllung 7 des Innenzylinders 4 und den ebenen Stirnflächen der beiden Zylinder 8; 9. In der oberen Stirnfläche 8 befindet sich eine kleine Bohrung 10, die nur innerhalb des Innenzylinders angeordnet sein darf. Diese Bohrung 10 wird im Stempel 2 geführt und gelangt auf diese Weise zu einer Rohrleitung 11 außerhalb der Druckkammer 1.

Die Rohrleitung 11 endet in einem Gehäuse 12, an dem mit Hilfe eines Anpreßringes 13 eine gewellte, konzentrische Membran 14 befestigt ist. Die Membran 14 ist über die Kolbenstange 15 mit dem Kolben 16 verbunden. Auf der anderen Seite der Membran 14 befindet sich ein Spiegel 17, der als reflektierendes Objekt für einen faseroptischen Reflexsensor 10 dient. Es ist jedoch auch jeder andere denkbare Wegsensor anwendbar.

So kann z. B. die Membran 14 die Mittelplatte eines Differenztialkondensators sein, oder sie kann Dehnmeßstreifen tragen. Bei Funktion des Kraftsensors wird die zu messende Kraft über die Stempel 2; 3 eingeleitet, wodurch ein der Kraft proportionales Flüssigkeitsvolumen verdrängt wird. Dieses Volumen gelangt über die Bohrung 10 in die Rohrleitung 11 und verschiebt den Kolben 16. Die daraus resultierende Abstandsänderung zwischen dem Spiegel 17 und den Fasern des faseroptischen Reflexsensor 18 ist der wirkenden Kraft proportional.

Bei einem Außendurchmesser des Außenzylinders 5 von 50 mm bei einer Wandstärke von 8 mm, sowie einem Innenzylinder 4 mit einem Außendurchmesser von 30mm und einer Wandstärke von 1 mm ergibt eine zwischen den Stempeln wirkende Kraft von 1,4MN bei einer LÄnge der Zylinder 4; 5 von 10 mm ein verdrängtes Flüssigkeitsvolumen von etwa 30 mm³. Ein auf den Kraftsensor in radialer Richtung wirkender Außendruck von 200 MPa erzeugt am Sensorelement keinen meßbaren Ausschlag. Der Kraftsensor ist bei hohen Temperaturen einsetzbar, wofür eine Temperaturkompensation zur Anwendung kommt (Fig. 2). Wird Aluminium als Material für den Innenzylinder 4 und Quecksilber als Sensorflüssigkeit 7 eingesetzt, so ist bei einer Erwärmung die Volumenänderung des Quecksilbers größer als die des Innenzylinders 4. Die Temperaturkompensation muß also eine Volumenvergrößerung des Raumes der Sensorflüssigkeit 7 bewirken. Erreicht wird dieses durch einen im Innenzylinder 4 befindlichen Faltenbalg bzw. eine Wellmembran 24, der durch einen Ausdehnungskörper mit positivem 25 (Fig. 2 a) oder negativem 26 (Fig. 2 b) linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten verformt wird. Denkbar ist ebenso die Anordnung eines Ausdehnungskörpers mit negativem Volumenausdehnungskoeffizienten 27 innerhalb des Innenzylinders 4 (Fig.2c).

Ausführungsbeispiel 2

Beim zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) bleibt der Aufbau des Kraftsensors und dessen Funktionsweise unverändert. Lediglich die der Temperaturkompensation dienenden Bauelemente befinden sich wie das Sensorelement außerhalb der Druckkammer. Hierbei befindet sich an der Rohrleitung 11 ein zusätzlicher Behälter 19, dereinen Kolben 20 enthält. Dieser Kolben 20 wird vermittels eines Antriebs 22 und der Kolbenstange 21 bewegt, so daß eine Volumenveränderung des Raumes der Sensorflüssigkeit eintritt. Das Temperaturmeßelement 23 regelt in Abhängigkeit voln der Druckkammertemperatur den Antrieb 22. Dieser kann z. B. ein Schrittmotor, ein Bimetall mit Heizung oder ein ähnlicher Antrieb sein.

Claims

1. Kraftsensor mit hydraulischer Übertragung zwischen Verformungskörper und Sensorelement sowie Temperaturkompensation, gekennzeichnet dadurch, daß der Verformungskörper auf zwei ineinander liegenden Behältern mit dazwischen befindlichem Gasspalt und zwei gemeinsamen, abgedichteten Stirnflächen besteht, wobei nur der innere Behälter mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt und mit dem Sensorelement gekoppelt ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Verformungskörper vorzugsweise aus zwei ineinanderliegenden, konzentrischen Hohlzylindern besteht.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Sensorelement vorzugsweise durch einen Wegsensor verkörpert wird, wobei das verdrängte Flüssigkeitsvolumen einen Kolben innerhalb der Rohrleitung bewegt, der mittels einer Kolbenstange mit einer Membran verbunden ist.

4. Kraftsensor nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperaturkompensation vorzugsweise durch einen im inneren Behälter befindlichen Faltenbalg über einen Ausdehnungskörper mit positivem oder negativem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten realisiert wird.