Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufes von Drücken
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln des Verlaufs von sich insbesondere rasch ändernden Drücken innerhalb vorbestimmter, unterhalb und/oder oberhalb eines vorbestimmten Druckniveaus liegender Messbereiche. Die Erfindung bezweckt insbesondere die Schaffung einer Vorrichtung, welche die genaue Aufnahme des Druckverlaufes im Verbrennungsraum rasch laufender Kolben-Brennkraftmaschinen über begrenzte Druckbereiche ermöglicht.
Es ist bekannt, bei Brennkraftmaschinen auftretende Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Druckfühlern zu bestimmen. Besonders aufschlussreich sind hierbei die im Bereich niedriger Drücke liegenden Teile der erhaltenen Druckkurven, da es gerade die mit dem Gaswechsel zusammenhängenden Verhältnisse sind, welche vielfach durch geeignete Steuerung und Bemessung von Ein- und Auslassquerschnitten namhafte Verbesserungen erreichen lassen. Besonders erwünscht sind ferner auch Kenntnisse des Druckverlaufes im Bereich der Zünddrücke.
Als nachteilig erweist sich hierbei jedoch, dass die zur Aufnahme der Druckkurve benötigten Verstärker und Anzeigegeräte einen Arbeitsbereich einschliessen müssen, der die zu erwartenden Maximalund Minimaldrücke umfasst. Es gelingt dann besonders bei rasch aufeinanderfolgenden Druckwechseln nicht mehr, eine verzerrungsfreie Anzeige über den ganzen Druckbereich zu erhalten. Diese Nachteile sind besonders ausgeprägt bei Verwendung von Schleifenoszillatoren; sie können ferner auch auftreten bei anderen Druckfühlern bzw. Anzeigesystemen, z. B. bei kapazitiven Fühlern oder mechanischen Indikatoren.
Die Erfindung ermöglicht, diese Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie geht vom Gedanken aus, dass eine im verzerrungsfreien Arbeitsbereich liegende Anzeige erhalten werden kann, wenn die oberhalb bzw. unterhalb eines einstellbaren Druckniveaus befindlichen Drücke vom Druckfühler ferngehalten werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei miteinander fest verbundene Kolben eines Kolbenkörpers in Bohrungen innerhalb eines Gehäuses zwischen zwei Endlagen verschiebbar angeordnet sind, die durch ventilsitzartige Anschläge derart bestimmt sind, dass in einer Endlage eine Kolbenseite des einen Kolbens und in der anderen Endlage eine Kolbenseite des anderen Kolbens dichtend zur Auflage auf der Dichtungsfläche des ihr zugeordneten Anschlages kommt, dass weiter von den einander abgewendeten Seiten der beiden Kolben die eine Seite unter der Einwirkung des zu ermittelnden Druckes und die andere unter der Einwirkung eines einstellbaren Hilfsdruckes steht, dass ferner der im Raume zwischen den beiden Kolben sich einstellende Druck auf den zur Ermittlung des Druckverlaufes dienenden Druckfühler einwirkt und dass schliesslich jedem Kolben ein Durchlass zugeordnet ist,
durch den bei einem nicht am Anschlag befindlichen Kolben der auf letzteren wirkende Druck sich in den Raum zwischen beiden Kolben und zum Druckfühler fortpflanzen kann.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht auch bei sehr rasch folgenden Druckwechseln die ausserhalb des jeweils eingestellten Messbereiches liegenden Drücke vom Druckfühler fernzuhalten, ohne dass der dabei stattfindende Umschaltvorgang eine Verfälschung des Messresultates -verursacht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kommen in den beiden Endlagen des Kolbenkörpers einander zugekehrte Seiten der beiden Kolben auf der Dichtungsfläche des zugeordneten ventilsitzartigen Anschlages zur Auflage; man erhält dann eine Anzeige unterhalb eines vorbestimmten, durch die Grösse des Hilfsdruckes gegebenen Druckniveaus. Umgekehrt kann zweckmässig zum Ermitteln des Druckverlaufes in einem oberhalb eines vorbestimmten, durch die Grösse des Hilfsdruckes gegebenen Bereiches in den beiden Endlagen des Kolbenkörpers einander abgewendete Seiten der beiden Kolben auf der Dichtungsfläche des zugeordneten ventilsitzartigen Anschlages zur Auflage kommen.
Zweckmässig können die Dichtungsflächen der Anschläge und der Kolben durch gegeneinander gerichtete Kegelflächen gebildet sein. Die Durchlässe können als schlitzförmige Ausnehmungen in den Mantelflächen der Kolben oder aber als Bohrungen im Kolbenkörper ausgebildet sein. In einer besonders einfachen Ausführungsform sind die Durchlässe durch Spiele zwischen Kolbenwand und Bohrung gebildet.
Vorteilhaft kann die Bohrung für den vom Messdruck beaufschlagten Kolben mit dem Inneren eines rohrförmigen Einschraubstutzens verbunden sein; die Vorrichtung lässt sich dann bequem in eine entsprechende Gewindebohrung einschrauben, die mit dem zu überwachenden Druckraum in Verbindung steht.
Weiter empfiehlt es sich, in der den Hilfsdruck übertragenden Zuleitung ein Umschaltventil anzuordnen, mit dessen Hilfe die Zuleitung wahlweise mit einer Hilfsdruckquelle oder mit der Atmosphäre verbunden werden kann. Diese Anordnung lässt neben der Anzeige des zu ermittelnden Druckverlaufes auch eine Anzeige zweier konstanter und bekannter Referenzdrücke erzielen, was ohne weiteres eine quantitative Auswertung des ermittelten Druckverlaufes zulässt.
Schliesslich kann zweckmässig eine Teilvorrichtung für die Ermittlung des Druckverlaufes oberhalb des vorbestimmten Druckbereiches mit einer Teilvorrichtung für die Ermittlung des Verlaufes unterhalb des gleichen oder eines anderen Druckbereiches so vereinigt werden, dass die beiden Kolbenkörper verschiebbar in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, und dass weiter für die Zuleitung des zu messenden Druckes ein gemeinsamer Kanal vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung im Schnitt zusammen mit in der Zuleitung für den Hilfsdruck angeordnetem Umschaltventil und Druckreduzierventil,
Fig. 2 im Detail Teile der in Fig. 1 gezeichneten Vorrichtung in vergrössertem Massstab,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform in einer Fig. 1 entsprechenden Darstellung, jedoch zum Ermitteln des Druckverlaufes oberhalb eines vorbestimmten Druckniveaus,
Fig. 4 die Vereinigung der beiden Teilvorrichtungen nach den Fig. 1 und 3 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses und
Fig. 5 und 6 Beispiele von Druckkurven, die mit Hilfe von erfindungsgemässen Vorrichtungen erhalten werden können.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt ein Gehäuse 11, dessen zylindrischer Teil 12 als Einschraubstutzen ausgebildet ist und in eine entsprechende Gewindebohrung eines Zylinderdeckels oder dergleichen eingesetzt werden kann. Im Gehäuse sind zwei zylindrische Bohrungen 13 und 14 vorhanden.
In diesen sind miteinander verschraubte oder sonst auf andere geeignete Weise zu einem Kolbenkörper miteinander verbundene Kolben 15 und 16 verschiebbar angeordnet. Fig. 2 zeigt im Detail diese Teile in vergrössertem Massstab.
Die miteinander verbundenen Kolben 15 und 16 können sich zwischen zwei Endlagen verschieben, die durch ventilsitzartig ausgebildete Anschlagflächen 17 und 18 bestimmt sind. In der gezeichneten Stellung befindet sich der Kolben 16 an der Anschlagfläche 18, und seine entsprechend gestaltete Kolbenseite 19 liegt dichtend auf der Fläche 18 auf. Demgegenüber befindet sich die Kolbenseite 20 des Kolbens 15 im Abstand zu der ihr zugekehrten Anschlagfläche 17.
Der in seinem Verlauf zu ermittelnde Druck wirkt auf die Seite 21 des Kolbens 15. Der Raum oberhalb der Kolbenseite 22 steht über den Kanal 23 und die Leitung 24 mit dem Umschaltventil 25 in Verbindung. Dieses ist als Solenoidventil ausgebildet und ermöglicht, die Leitung 24 augenblicklich wahlweise über die Ventilbohrung 26 mit der Atmosphäre oder über die Bohrung 27 und die Leitung 28 mit dem einstellbaren Druckreduzierventil 29 zu verbinden, das über die Leitung 30 mit einer nicht gezeichneten Druckquelle in Verbindung steht. Mit Hilfe des Reduzierventils 29 kann der so auf die Kolbenseite 22 wirkende Druck beliebig zwischen Null und einem durch die Quelle vorgegebenen Wert eingestellt werden. Als Druckmittel wird zweckmässig ein gasförmiges Medium benützt. Zur Überwachung des Druckes vor und nach dem Druckreduzierventil sind Druckmesser 31 und 32 vorgesehen.
Der zwischen den beiden Kolbenseiten 19 und 20 befindliche Raum 33 steht über den Kanal 34 mit dem Raum 35 in Verbindung, der auf einer Seite durch einen Teil des Gehäuses 11 und auf der anderen Seite durch den Messboden eines piezoelektrischen Druckfühlers 36 abgeschlossen ist. Zur Fixierung des Druckfühlers und zur Abdichtung des den Fühler aufnehmenden Raumes dient die Schraube 38. Der vom Druckfühler als Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 37 abgebildete Druck im Raum 35 kann auf bekannte Art mit Hilfe eines Schleifenoszillators sichtbar gemacht bzw. registriert werden. Um den Druckfühler gegen allfällige schädliche Temperaturen zu schützen, kann durch den Stutzen 39 Kühlwasser zugeführt werden, das durch einen nicht gezeichneten Austritt wieder abströmt.
In der Wand der Kolben 15 und 16 ist je ein aus schlitzförmigen Ausnehmungen 40 bzw. 41 bestehender Durchlass vorgesehen, durch den sich bei nicht am Anschlag befindlichen Kolben der auf letzteren wirkende Druck in den Raum zwischen beide Kolben 15 und 16 fortpflanzen kann.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der geschilderten Vorrichtung sei angenommen, dass der auf den Kolben 16 wirkende Hilfsdruck auf den Wert A eingestellt sei, während der in seinem Verlauf zu messende und auf den Kolben 15 wirkende Druck rasche Druckschwankungen zwischen Atmosphärendruck und einem den Druck A übersteigenden Druck B ausführt. Solange während des Ansteigens des auf den Kolben 15 wirkenden Drucks die von ihm erzeugte Kolbenkraft kleiner ist als diejenige, welche der Kolben 16 unter der Einwirkung des Hilfsdrucks entgegenstellt, bleibt der Kolbenkörper 15, 16 in seiner gezeichneten Lage, in welcher der zu ermittelnde Druck über die Schlitze 40 im Kolben 15 sich in den Raum 33 und von hier aus auf den Druckfühler 36 fortpflanzen kann.
Mit wachsendem Druck unterhalb des Kolbens 15 wird der Zustand erreicht, wo die aus den Druckeinwirkungen resultierende Kraft ihre Richtung wechselt und bewirkt, dass der Kolben 15 dichtend zur Auflage auf der Anschlagfläche 17 kommt. Von diesem Augenblick an wirkt nun der durch den Kanal 23 in den Raum 35 sich fortpflanzende Druck auf den Druckfühler, und zwar so lange, bis der Kolbenkörper 15, 16 wieder in die gezeichnete untere Endlage zurückkehrt. Es ist leicht einzusehen, dass durch die geschilderte Arbeitsweise vom Druckfühler 36 nur Drücke ermittelt werden, die sich unterhalb eines durch die Grösse des Hilfsdruckes bestimmten Druckniveaus befinden.
Fig. 3 veranschaulicht bis auf die Ausbildung und Anordnung der verschiebbaren Kolben und der ihnen zugeordneten Anschläge eine der Vorrichtung nach Fig. 1 entsprechende Ausführungsform. Es sind zwei Kolben 50 und 51 vorhanden, die der Einfachheit halber als einteiliger Kolbenkörper gezeigt sind. An dieser Stelle sei auch festgehalten, dass selbstverständlich das Gehäuse aus zwei oder mehr Teilen bestehen kann. Dem Kolben 50 ist der Anschlag 52 und dem Kolben 51 der Anschlag 53 zugeordnet, zwischen denen sich die beiden Kolben bewegen können.
In beiden Endlagen kommen die einander abgewendeten Seiten der beiden Kolben dichtend zur Auflage auf der Dichtungsfläche des zugeordneten Anschlages. In der gezeichneten Lage befindet sich der Kolben 50 an der Dichtungsfläche des Anschlages 52. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Dichtungsflächen der Kolben und der Anschläge durch senkrecht zur Achsrichtung des Kolbenkörpers gerichtete Flächen gebildet.
Auf den Kolben 50 wirkt der über die Bohrung 54 zugeleitete Messdruck, während der Kolben 51 dem Einfluss des über den Kanal 55 entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 übertragenem Hufs- druckes ausgesetzt ist. Die jedem Kolben zugeordneten Durchlässe sind in vorliegendem Falle als einfache Bohrungen 56 bzw. 57 ausgebildet. In der gezeichneten Lage sind die Bohrungen 56 durch die Dichtungsfläche des Anschlages 52 verschlossen.
Dafür kann der Hilfsdruck durch die Bohrungen 57 des anderen Kolbens 51 sich in den Raum 58 und von hier über den Kanal 59 auf den Messboden 60 des Druckfühlers fortpflanzen.
Wiederum sei zur Erläuterung der Wirkungsweise angenommen, dass der Hilfsdruck auf den Wert A eingestellt sei, während der in seinem Verlauf zu ermittelnde und auf den Kolben 50 wirkende Druck rasche Druckschwankungen zwischen Atmosphärendruck und einem den Druck A übersteigenden Druck B ausführt. Solange während des Ansteigens des auf den Kolben 50 wirkenden Drucks die von ihm erzeugte Kolbenkraft kleiner ist als diejenige, welche der Kolben 51 unter der Einwirkung des Hilfsdruckes entgegenstellt, bleibt der Kolbenkörper 50, 51 in seiner gezeichneten Lage, in welcher der zu ermittelnde Druck vom Druckfühler ferngehalten ist, dafür aber der Hilfsdruck zur Anzeige kommt.
Erst wenn die aus den beiden Druckeinwirkungen resultierende Kraft ihre Richtung wechselt und der Kolben 51 dichtend zur Auflage am Anschlag 53 kommt, kann sich der Messdruck über die Bohrungen 56 und den Kanal 59 auf den Druckfühler übertragen; es werden somit mit Hilfe der geschilderten Vorrichtung nur Drücke ermittelt, die sich oberhalb eines durch die Grösse des Hilfsdruckes bestimmten Druckniveaus befinden.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, in welcher in einem gemeinsamen Gehäuse 65 je eine nach den beiden bisher geschilderten Ausführungsbeispielen arbeitende Teilvorrichtung miteinander vereinigt sind.
Die eine Teilvorrichtung zur Ermittlung von Drücken unterhalb eines vorbestimmten Druckniveaus besteht aus dem Kolbenkörper 66, 67 mit zugeordneten Anschlägen 68 und 69 sowie dem piezoelektrischen Druckfühler 70, wobei ein einstellbarer Hilfsdruck durch den Kanal 71 auf die Oberseite des Kolbens 67 geleitet werden kann. Die andere Teilvorrichtung setzt sich zusammen aus dem Kolbenkörper 72, 73, den Anschlägen 74 und 75 und dem Druckfühler 76; der Hilfsdruck kann durch den Kanal 77 übertragen werden.
Für beide Teilvorrichtungen ist ein gemeinsamer Anschlussstutzen 78 vorgesehen, der zum Beispiel in den Zylinderdeckel einer Kolben-Brennkraft- maschine eingeschraubt werden kann. Der Messdruck wird über den gemeinsamen Kanal 79 auf die beiden Kolben 66 und 72 übertragen. Man erhält somit von dem zu ermittelnden Druckverlauf mit Hilfe des Druckfühlers 70 eine Anzeige in einem ersten Messbereich, der sich von Atmosphärendruck bis zu dem über den Kanal 71 zugeleiteten Hilfsdruck erstreckt; mit Hilfe des Druckfühlers 73 wird eine Anzeige des Druckverlaufes oberhalb eines Druckniveaus, das durch den über den Kanal 77 übertragenen Hilfsdruck bestimmt ist.
Werden die beiden Hilfsdrücke gleich gross gewählt, zum Beispiel durch Anschliessen der Kanäle 71 und 77 an ein und dieselbe Hilfsdruckquelle, werden zwei Anzeigen erhalten, die zusammen sich über den ganzen Bereich erstrecken, in dem sich der zu ermittelnde Druck bewegt. Die Fig. 5 und 6 zeigen für die gleiche Druckspitze den zeitlichen Verlauf, wie er zum Beispiel auf dem Registrierstreifen zweier Oszillographen erhalten wird, von denen einer durch den Druckfühler 70 und der andere durch den Druckfühler 76 gesteuert wird.
In Abszissenrichtung ist die Zeit t aufgetragen und in Ordinatenrichtung die den piezoelektrischen Ladungen der Druckfühler entsprechenden Drücke P.
Die Abszisse entspricht einem Druck P gleich Null und wird direkt als Linie auf dem Registrierstreifen erhalten, wenn anstelle des Hilfsdruckes der Atmosphärendruck auf den Kolben 67 einwirkt. Die ausgezogene Kurve 81 in Fig. 5 veranschaulicht den vom Druckfühler 76 ermittelten Druckverlauf; die Kurve beginnt auf dem Hilfsdruckniveau A, klettert auf den maximalen Messdruck B und senkt sich schliesslich wieder auf das Hilfsdruckniveau. Demgegenüber liegt der Messbereich der den Druckfühler 70 aufweisenden Teilvorrichtung unterhalb des Druckniveaus A; die ausgezogene Kurve 82 verläuft zwischen dem tiefsten Messdruck und dem Hilfsdruck A und der gestrichelt dargestellte übrige Druckverlauf wird abgeschnitten.
Es ist selbstverständlich möglich, durch die Wahl ungleicher Hilfsdrücke zum Beispiel nur den Druckverlauf im Bereich des oberen bzw. unteren Extremwertes zu ermitteln. Die hat insbesondere Bedeutung bei der bereits genannten Untersuchung des Druckverlaufes in Zylindern von Brennkraftmaschinen, wo dann einerseits nur gerade der Druckverlauf während des Gaswechsels und anderseits nur der Druckverlauf während der Zündung ermittelt wird. Ähnliche Untersuchungen ergeben sich bei Anwendung der Erfindung auf die Messung von Expiosionsdrücken zur Lösung ballistischer Probleme.
Die Erfindung ist nicht auf die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere könnte anstelle von Durchlässen in Form von Schlitzen bzw. von Bohrungen in den Kolben ein geeignet bemessenes Spiel zwischen Kolben und Wand der den betreffenden Kolben aufnehmenden Bohrung vorgesehen sein. Auch wäre es möglich, andere Druckfühler als piezoelektrische Fühler zu benützen, z. B. mechanische Fühler, kapazitiv arbeitende Fühler usw.
Device for determining the course of pressures
The invention relates to a device for determining the course of, in particular, rapidly changing pressures within predetermined measuring ranges which are below and / or above a predetermined pressure level. The invention aims in particular to create a device which enables the precise recording of the pressure profile in the combustion chamber of rapidly running piston internal combustion engines over limited pressure ranges.
It is known to determine pressures occurring in internal combustion engines with the aid of piezoelectric pressure sensors. The parts of the pressure curves obtained in the range of lower pressures are particularly informative, since it is precisely the conditions associated with the gas exchange that can often lead to significant improvements through suitable control and dimensioning of inlet and outlet cross-sections. Knowledge of the pressure curve in the area of the ignition pressures is also particularly desirable.
However, it has proven to be disadvantageous here that the amplifiers and display devices required to record the pressure curve have to include a working range that includes the maximum and minimum pressures to be expected. It is then no longer possible to obtain a distortion-free display over the entire pressure range, particularly with rapidly successive pressure changes. These disadvantages are particularly pronounced when using loop oscillators; they can also occur with other pressure sensors or display systems, e.g. B. with capacitive sensors or mechanical indicators.
The invention enables these disadvantages to be largely eliminated. It is based on the idea that a display that is in the distortion-free working range can be obtained if the pressures above or below an adjustable pressure level are kept away from the pressure sensor.
The device according to the invention is characterized in that two pistons of a piston body that are firmly connected to one another are arranged displaceably in bores within a housing between two end positions which are determined by valve seat-like stops in such a way that in one end position one piston side of one piston and in the other end position one Piston side of the other piston comes to rest sealingly on the sealing surface of the stop assigned to it, that further from the opposite sides of the two pistons, one side is under the action of the pressure to be determined and the other is under the action of an adjustable auxiliary pressure The pressure that is established in the space between the two pistons acts on the pressure sensor used to determine the pressure curve and that a passage is ultimately assigned to each piston,
due to the fact that when the piston is not at the stop, the pressure acting on the latter can propagate into the space between the two pistons and to the pressure sensor.
The device according to the invention enables the pressures lying outside the set measuring range to be kept away from the pressure sensor even in the case of pressure changes that follow very quickly, without the switching process taking place thereby causing a falsification of the measurement result.
In a particular embodiment of the invention, in the two end positions of the piston body, mutually facing sides of the two pistons come to rest on the sealing surface of the associated valve seat-like stop; an indication is then obtained below a predetermined pressure level given by the magnitude of the auxiliary pressure. Conversely, in order to determine the pressure profile, in an area above a predetermined area given by the magnitude of the auxiliary pressure in the two end positions of the piston body, sides of the two pistons facing away from each other can come to rest on the sealing surface of the associated valve seat-like stop.
The sealing surfaces of the stops and the piston can expediently be formed by conical surfaces directed towards one another. The passages can be designed as slot-shaped recesses in the lateral surfaces of the pistons or as bores in the piston body. In a particularly simple embodiment, the passages are formed by clearances between the piston wall and the bore.
The bore for the piston acted upon by the measuring pressure can advantageously be connected to the interior of a tubular screw-in connector; the device can then easily be screwed into a corresponding threaded hole which is connected to the pressure chamber to be monitored.
It is also advisable to arrange a changeover valve in the supply line transmitting the auxiliary pressure, with the aid of which the supply line can be optionally connected to an auxiliary pressure source or to the atmosphere. In addition to the display of the pressure profile to be determined, this arrangement also allows two constant and known reference pressures to be displayed, which readily allows a quantitative evaluation of the pressure profile determined.
Finally, a sub-device for determining the pressure curve above the predetermined pressure range can expediently be combined with a sub-device for determining the curve below the same or a different pressure range so that the two piston bodies are displaceably arranged in a common housing, and that further for the A common channel is provided for supplying the pressure to be measured.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing. Show it:
1 shows a device according to the invention in section together with the switching valve and pressure reducing valve arranged in the supply line for the auxiliary pressure,
2 shows in detail parts of the device shown in FIG. 1 on an enlarged scale,
3 shows a further embodiment in a representation corresponding to FIG. 1, but for determining the pressure profile above a predetermined pressure level,
4 shows the union of the two sub-devices according to FIGS. 1 and 3 within a common housing and
FIGS. 5 and 6 show examples of pressure curves which can be obtained with the aid of devices according to the invention.
The device shown in Fig. 1 has a housing 11, the cylindrical part 12 of which is designed as a screw-in socket and can be inserted into a corresponding threaded bore of a cylinder cover or the like. There are two cylindrical bores 13 and 14 in the housing.
Pistons 15 and 16 which are screwed to one another or are otherwise connected to one another to form a piston body are arranged displaceably in these. Fig. 2 shows these parts in detail on an enlarged scale.
The pistons 15 and 16, which are connected to one another, can move between two end positions which are determined by stop surfaces 17 and 18 designed like valve seats. In the position shown, the piston 16 is located on the stop surface 18, and its correspondingly designed piston side 19 rests on the surface 18 in a sealing manner. In contrast, the piston side 20 of the piston 15 is at a distance from the stop surface 17 facing it.
The pressure to be determined in its course acts on the side 21 of the piston 15. The space above the piston side 22 is connected to the switchover valve 25 via the channel 23 and the line 24. This is designed as a solenoid valve and enables the line 24 to be connected instantaneously either via the valve bore 26 to the atmosphere or via the bore 27 and the line 28 to the adjustable pressure reducing valve 29, which is connected via the line 30 to a pressure source (not shown) . With the aid of the reducing valve 29, the pressure acting on the piston side 22 can be set as desired between zero and a value specified by the source. A gaseous medium is expediently used as the pressure medium. Pressure gauges 31 and 32 are provided to monitor the pressure before and after the pressure reducing valve.
The space 33 located between the two piston sides 19 and 20 communicates via the channel 34 with the space 35 which is closed on one side by part of the housing 11 and on the other side by the measuring base of a piezoelectric pressure sensor 36. The screw 38 is used to fix the pressure sensor and to seal the space containing the sensor. The pressure in space 35 represented by the pressure sensor as a potential difference between the two electrodes 37 can be made visible or registered in a known manner with the aid of a loop oscillator. In order to protect the pressure sensor against any harmful temperatures, cooling water can be supplied through the nozzle 39, which water flows out again through an outlet (not shown).
In the wall of the pistons 15 and 16 a passage consisting of slot-shaped recesses 40 and 41 is provided through which the pressure acting on the latter can propagate into the space between the two pistons 15 and 16 when the piston is not at the stop.
To explain the operation of the device described, it is assumed that the auxiliary pressure acting on the piston 16 is set to the value A, while the pressure to be measured in its course and acting on the piston 15 has rapid pressure fluctuations between atmospheric pressure and a pressure exceeding pressure A. B executes. As long as the pressure acting on the piston 15 rises, the piston force it generates is smaller than that which the piston 16 opposes under the action of the auxiliary pressure, the piston body 15, 16 remains in its position shown, in which the pressure to be determined is above the slots 40 in the piston 15 can propagate into the space 33 and from here to the pressure sensor 36.
With increasing pressure below the piston 15, the state is reached in which the force resulting from the pressure effects changes direction and causes the piston 15 to come to rest on the stop surface 17 in a sealing manner. From this moment on, the pressure propagating through the channel 23 into the space 35 acts on the pressure sensor until the piston body 15, 16 returns to the lower end position shown. It is easy to see that, as a result of the method of operation described, the pressure sensor 36 only determines pressures which are below a pressure level determined by the magnitude of the auxiliary pressure.
FIG. 3 illustrates, apart from the design and arrangement of the displaceable pistons and the stops assigned to them, an embodiment corresponding to the device according to FIG. 1. There are two pistons 50 and 51 which are shown as a one-piece piston body for the sake of simplicity. At this point it should also be noted that the housing can of course consist of two or more parts. The piston 50 is assigned the stop 52 and the piston 51 is assigned the stop 53, between which the two pistons can move.
In both end positions, the opposite sides of the two pistons come to rest in a sealing manner on the sealing surface of the associated stop. In the position shown, the piston 50 is located on the sealing surface of the stop 52. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 1, the sealing surfaces of the pistons and the stops are formed by surfaces directed perpendicular to the axial direction of the piston body.
The measuring pressure supplied via the bore 54 acts on the piston 50, while the piston 51 is exposed to the influence of the hoof pressure transmitted via the channel 55 according to the arrangement according to FIG. In the present case, the passages assigned to each piston are designed as simple bores 56 and 57, respectively. In the position shown, the bores 56 are closed by the sealing surface of the stop 52.
For this purpose, the auxiliary pressure can propagate through the bores 57 of the other piston 51 into the space 58 and from here via the channel 59 to the measuring base 60 of the pressure sensor.
Again, to explain the mode of operation, it is assumed that the auxiliary pressure is set to the value A, while the pressure to be determined in its course and acting on the piston 50 executes rapid pressure fluctuations between atmospheric pressure and a pressure B exceeding pressure A. As long as the pressure acting on the piston 50 rises, the piston force generated by it is smaller than that which the piston 51 opposes under the action of the auxiliary pressure, the piston body 50, 51 remains in its position shown, in which the pressure to be determined is from The pressure sensor is kept away, but the auxiliary pressure is displayed.
Only when the force resulting from the two pressure effects changes direction and the piston 51 comes to rest against the stop 53 in a sealing manner can the measurement pressure be transmitted to the pressure sensor via the bores 56 and the channel 59; Thus, with the aid of the device described, only pressures are determined which are above a pressure level determined by the magnitude of the auxiliary pressure.
Fig. 4 shows a device in which in a common housing 65 each one working according to the two previously described embodiments are combined with one another.
One sub-device for determining pressures below a predetermined pressure level consists of the piston body 66, 67 with associated stops 68 and 69 and the piezoelectric pressure sensor 70, whereby an adjustable auxiliary pressure can be passed through the channel 71 to the top of the piston 67. The other part device is composed of the piston body 72, 73, the stops 74 and 75 and the pressure sensor 76; the auxiliary pressure can be transmitted through channel 77.
A common connection piece 78 is provided for both sub-devices, which, for example, can be screwed into the cylinder cover of a piston internal combustion engine. The measuring pressure is transmitted to the two pistons 66 and 72 via the common channel 79. A display is thus obtained from the pressure profile to be determined with the aid of the pressure sensor 70 in a first measuring range which extends from atmospheric pressure to the auxiliary pressure supplied via the channel 71; With the aid of the pressure sensor 73, the pressure profile above a pressure level which is determined by the auxiliary pressure transmitted via the channel 77 is displayed.
If the two auxiliary pressures are chosen to be equal, for example by connecting the channels 71 and 77 to one and the same auxiliary pressure source, two displays are obtained which together extend over the entire area in which the pressure to be determined moves. 5 and 6 show the time course for the same pressure peak, as is obtained, for example, on the recording strips of two oscillographs, one of which is controlled by the pressure sensor 70 and the other by the pressure sensor 76.
The time t is plotted in the abscissa direction and the pressures P corresponding to the piezoelectric charges of the pressure sensors are plotted in the ordinate direction.
The abscissa corresponds to a pressure P equal to zero and is obtained directly as a line on the recording strip when the atmospheric pressure acts on the piston 67 instead of the auxiliary pressure. The solid curve 81 in FIG. 5 illustrates the pressure profile determined by the pressure sensor 76; the curve begins at the auxiliary pressure level A, climbs to the maximum measurement pressure B and finally falls back to the auxiliary pressure level. In contrast, the measuring range of the sub-device having the pressure sensor 70 is below the pressure level A; the solid curve 82 runs between the lowest measured pressure and the auxiliary pressure A and the remaining pressure curve shown in dashed lines is cut off.
It is of course possible, by choosing unequal auxiliary pressures, to determine, for example, only the pressure curve in the area of the upper or lower extreme value. This is particularly important in the aforementioned investigation of the pressure profile in cylinders of internal combustion engines, where on the one hand only the pressure profile during the gas exchange and on the other hand only the pressure profile during ignition is determined. Similar investigations result when the invention is applied to the measurement of explosion pressures to solve ballistic problems.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments described. In particular, instead of passages in the form of slots or bores in the piston, a suitably dimensioned clearance could be provided between the piston and the wall of the bore receiving the relevant piston. It would also be possible to use other pressure sensors than piezoelectric sensors, e.g. B. mechanical sensors, capacitive sensors etc.