Impedanzmessung hydraulischer Komponenten

Die Eingangsimpedanz eines hydraulischen Bauteils liefert Aufschluss darüber, welche Impedanz Druck- und Volumenstromwellen beim Eintreten in die betreffende Komponente „sehen“.

Die Eingangsimpedanz ist im Allgemeinen sowohl frequenzabhängig als auch komplex. Der Frequenzgang der Eingangsimpedanz einfacher hydraulischer Komponenten (z. B. einseitig abgeschlossene Rohrleitung, großer Tank) kann in guter Übereinstimmung zum realen Verhalten auf theoretischem Wege berechnet werden.

Bei komplexeren Bauteilen ist die theoretische Berechnung im Allgemeinen nicht möglich, und es muss auf experimentelle Methoden zurückgegriffen werden. Zur experimentellen Ermittlung der Eingangsimpedanz hydraulischer Komponenten wurde von JOHNSTON die „secondary source“-Methode entwickelt, die in der Vorschrift ISO 10767-1 genormt ist. FLUIDON bieten neben dem zur Impedanzmessung nach der „secondary source“-Methode notwendigen Prüfstand auch das zur Auswertung und Ergebnisinterpretation notwendige Expertenwissen.

Prüfstand und Messdurchführung

Das Schaltbild zeigt den schematischen Aufbau eines Prüfstands zur Impedanzmessung. Das Wegeventil wird bei konstantem Offset-Signal mit einem sinusförmigen Signal angesteuert. Die Frequenz des Signals steigt im Verlauf der Messung von 0 Hz bis zur maximalen Frequenz. Der Systemdruck wird am Speicher über einen Druckregler eingestellt und während der Messung konstant gehalten. In der Messstrecke befinden sich in einem definierten Abstand zwei dynamische Drucksensoren p1 und p2.

Technische Daten

  • maximale Anregungsfrequenz bis 400 Hz
  • Systemdruck
    • Niederdruck bis 8 bar
    • Hochdruck bis 250 bar
  • Messdatenerfassung bis 40 kHz
  • automatisierte Prüfstandssteuerung

Auswertung

Die Auswertung der Messdaten erfolgt im Frequenzbereich, weshalb die gemessenen Zeitsignale der Sensoren p1 und p2 einer FFT unterzogen werden. Aus den Frequenzspektren der beiden Sensoren können nun mithilfe der Vierpoltheorie die frequenzabhängigen Druck- und Volumenstromwellen am Flansch des Prüflings berechnet werden. Das Verhältnis von Druck- und Volumenstromwellen am Flansch ergibt die Eingangsimpedanz des Prüflings. Diese komplexe Größe kann im Rahmen des Postprocessings in Amplitude und Phase zerlegt werden.

Ergebnisinterpretation

Die Interpretation des Messergebnisses setzt im Allgemeinen Kenntnisse über die Impedanz der durch den Prüfling abgeschlossenen Leitung voraus. Ist die gemessene Eingangsimpedanz deutlich größer als die charakteristische Impedanz der Leitung, so wirkt der Prüfling wie ein geschlossenes Ende. Ist die Eingangsimpedanz dagegen deutlich kleiner als die Leitungsimpedanz, so wirkt die untersuchte Komponente wie ein offenes Ende (z. B. großer Tank). Entspricht die Eingangsimpedanz etwa der charakteristischen Impedanz der Leitung, so werden Druck- und Volumenstromwellen am Übergang Leitung/Prüfling praktisch nicht reflektiert, was einem reflexionsfreien Leitungsabschluss entspricht. Da sich die Eingangsimpedanz des Prüflings meist mit der Frequenz ändert, kann ein und derselbe Prüfling bei einer Frequenz wie ein offenes Ende wirken, bei einer anderen Frequenz aber eher einem geschlossenen Leitungsabschluss entsprechen.

Die Art des Leitungsabschlusses übt einen starken Einfluss auf die Lage und Höhe von Resonanzen der Leitung aus, weswegen die Kenntnis der Eingangsimpedanz der die Leitung abschließenden Bauteile bei einer schwingungstechnischen Analyse unerlässlich ist. Durch die Messung bei verschiedenen Betriebszuständen lassen sich auch Nichtlinearitäten imImpedanz2.png Verhalten des Prüflings erfassen. Im dargestellten Beispiel führt hier das Öffnen/Schließen eines Rückschlagventils (RV) zu einem „Umschlagen“ der Eingangsimpedanz.

Das Messergebnis kann darüber hinaus auch im Rahmen von Systemsimulationen genutzt werden. Da das Abschlussverhalten von komplexen Bauteilen häufig nicht mit befriedigender Genauigkeit theoretisch berechnet werden kann, müssen in der Zeitbereichssimulation Ersatzmodelle verwendet werden. Diese Ersatzmodelle bestehen aus Verschaltungen von einfachen hydraulischen Bauteilen wie Rohren und Widerständen. Die Parameter der Ersatzmodelle werden nun verändert, bis die Eingangsimpedanz der Verschaltung der experimentell ermittelten Eingangsimpedanz des komplexen Originalbauteils entspricht. Stimmen die Eingangsimpedanzen mit hinreichender Genauigkeit überein, so bildet die Verschaltung der einfachen hydraulischen Bauteile das Abschlussverhalten des Originalbauteils adäquat ab.