Aufprallmessung von Objekten mittels Differenzdruckmessung

  • Aufprallmessung von Objekten mittels Differenzdruckmessung



    Motivation
    Im hier verlinkten Artikel wird die Fragestellung aufgeworfen, wie der Aufprall eines Balls auf einer
    Fläche sicher erkannt werden kann. Diese Aufgabenstellung wird hier mittels einer Differenzdruckmessung innerhalb eines geschlossenen Systems gelöst.



    Versuchsaufbau
    Der Versuchsaufbau besteht aus einem Luftballon, dessen Einlaß mit dem unteren Ende eines T-Stückes verbunden ist. Das T-Stück selbst wird mit seinen beiden Seitenstutzen an einen Differenzdruckmesser angeschlossen. In einen der Luftzweige wird dabei eine Reduzierung eingebaut, die einen Strömungswiderstand verursacht. Wird der Ballon nun belastet, dann erfolgt der Druckausgleich im Zweig der Reduzierung langsamer, als im nicht reduzierten Zweig. Somit ergibt sich für kurzzeitige Belastungen und Entlastungen (d.h. dynamische Laständerungen) ein Druckunterschied am Sensor. Statische Belastungen werden nach einer gewissen Zeit ausgeglichen. Bild 1 zeigt den Versuchsaufbau und die verwendeten Meßmittel.



    Bild 1: Versuchsaufbau und Meßmittel zur Differenzdruckmessung


    Bild 2 zeigt den Druckverlauf vor der Belastung, während der Belastung (Auflegen eines Schneidebrettchens), den Vorgang des Druckausgleichs, die Entlastung (Wegnahme des Schneidebrettchens) und den wiederum stattfindenden Vorgang des Druckausgleichs nach der Entlastung.



    Bild 2: Belastung, Druckausgleich, Entlastung und wiederum Druckausgleich



    Versuche
    Im ersten Versuch wurde ein Schraubenzieher 6 mal aus einigen cm Höhe direkt auf den Luftballon fallengelassen. Deutlich erkennt man die 6 Druckspitzen (Bild 3).



    Bild 3: Druckspitzen bei direktem Bewurf des Luftballons


    Im zweiten Versuch wurde das Schneidebrettchen halb über den Luftballon gelegt, um eine „stabile Trefferfläche“ zu simulieren. Der Schraubenzieher wurde wiederum aus etwa gleicher Höhe 3 mal auf das Schneidebrettchen fallengelassen. Deutlich erkennt man das Nachschwingen des trägen Schneidebrettchens (Bild 4).



    Bild 4: Druckspitzen und Nachschwingen bei indirektem Bewurf des Schneidebrettchens



    Vorteile der Differenzdruckmessung gegenüber einer einfachen Druckmessung
    Die Vorteile einer (temporären) Differenzdruckmessung innerhalb eines Systems liegen auf der Hand. Nachdem sich der Druck beider Zweige nach einiger Zeit ohne Laständerung immer ausgleicht, befindet sich das System in einem stabilen Zustand. Langsame Änderungen des Umgebungsdruckes (also des Drucks der Atmosphäre) werden dabei genauso ausgeglichen, wie
    Druckerhöhungen, die sich innerhalb des Systems bilden könnten (z.B. aufgrund der Erwärmung der Luft im Inneren des Luftballons). Insofern ist dieses System driftfrei.



    Meß und Prüfmittel
    Bild 1 zeigt die verwendeten Materialien. Zur Messung wurde ein AD-Kanal des Hubo 1.11 an einem Raspberry Pi Zero verwendet. Als Druckmesser fungierte ein MPX5010. Schläuche und Reduzierventil stammen aus Teilen des Aquarienbaus. Die Datenaufnahme erfolgte über das Datenlogger-Demoprogramm der Hubo-Library.


    Schöne Grüße


    schnasseldag