Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Kraft im Kondensator <-> Gewichtskraft?
Hallo zusammen,
ich bin ganz neu hier und hoffe, ich hab hier das richtige Forum erwischt, damit mir jemand mit meinem Problem helfen kann.
Folgende Aufgabenstellung möchte ich lösen: ich habe eine leitende Platte, die sich unter ihrem Gewicht durchbiegt, wenn sie am Rand festgehalten wird. Ich möchte aber genau die Form und Oberflächenbeschaffenheit messen - das heißt, ich muß irgendeine Kraft auf die Platte anlegen, die der Gewichtskraft entgegenwirkt.
Meine Idee war nun, einfach eine zweite Platte parallel darüber zu halten, so daß ich quasi einen Plattenkondensator bekomme, und dann eine bestimmte Spannung anzulegen. Dann müßte die untere Platte von der oberen angezogen werden, und wenn ich die Spannung richtig wähle, kriege ich damit ein Gleichgewicht zwischen elektrischer und gravitativer Kraft.
Wenn ich mein Physik-Buch richtig interpretiert habe, kann man die Kraft im Plattenkondensator folgendermaßen berechnen:
F = 1/2 q E = 1/2 q U/d = 1/2 C U² / d = eps A U² / (2 d²)
(Wenn mir jemand sagen könnte, wie man hier ordentlich Formeln tippen kann, wäre das ein guter Anfang :-) )
Die Kraft, die ich erreichen will, habe ich gegeben durch die Gewichtskraft der Platte: 0,27 N. Die anderen Maße sind: A = 0,02 m², d = 0,02 m (das ist eigentlich flexibel, aber ich möchte nicht zu nah an die andere Platte heran, weil ich vermute, daß sonst die Durchbiegung mir mein homogenes Feld versaut = nicht mehr vernachlässigt werden kann - sehe ich das richtig?), und epsilon ist ja bekannt.
Ich kann also die Gleichung so umformen, daß ich U bestimmen kann - und komme auf einen wahnsinnigen Wert in der Größenordnung von 10^5 Volt.
Kann das so stimmen, oder hab ich einen Rechenfehler gemacht? Kann man das Problem überhaupt so anpacken? Ich hab schon überlegt, die beiden Platten riesig groß zu machen, und die untere (zu vermessende) sozusagen in eine größere Platte einzusetzen, mit leitender Verbindung, aber so, daß sie noch durchhängt... aber dadurch daß die Fläche ja letztlich nur über die Wurzel in die Spannungsberechnung mit einfließt, komme ich da bei einer Fläche z.B. vom Faktor 100 größer auch nur auf eine Spannungserniedrigung von einer Größenordnung.
Mit solchen Spannungen arbeiten zu wollen, ist aber wahrscheinlich nicht gerade die beste Lösung - oder?
Ideen?
Vielen Dank schomal!
So wie ich das auf die Schnell sehe, ist da ein kleiner Denkfehler drin.
Die Kraft steigt mit geringer werdendem Abstand an, was dazu führt, dass Deine Platte, einmal in Bewegung gebracht gegen Deine andere Platte donnert, wenn Du keine Vorkehrungen triffst. Es wird sich jedenfalls kein Gleichgewicht in Abhängigkeit der Spannung einstellen, weil die Gravitationskraft konstant ist auf diesen kurzen Entfernungen. Du könntest noch eine Feder installieren, aber das ist nicht wirklich schön.
Die Rechnung scheint zu stimmen und das klingt auch halbwegs realistisch, denn Du brauchst schon eine sehr hohe Spannung.
Jedoch hab ich nicht ganz verstanden, was Du mit dieser Oberflächenbeschaffenheit meinst und willst...
Gruß
Besserwessi
08.04.2009, 19:24
Ein kleinerer Abstand hilft ungemein. Anders kann man kaum verhindern das es Überschläge gibt. Auch wird man das Gewicht pro Fläche reduzieren müssen. Wie schon geschrieben ist das ganze auch instabil und man müßte eine Regelung haben um einen Konstanten Abstand zu erreichen. Dabei wird eine Regelung nicht malausreichen wegen der bewegung in 3 Dimensionen.
Yossarian
08.04.2009, 20:13
Hallo
Es wäre anders herum vielleicht einfacher.
Wenn die zwite Platte fest ist und die untere Platte sich verbiegt, verändert sich der Abstand und damit die Kapazität des Plattenkondensators.
Das wäre einfacher zu messen.
Mit freundlichen Grüßen
Benno
Yossarian
08.04.2009, 20:18
Hallo
Dehnmeßstreifen aufkleben wäre auch eine Möglichkeit...
Mit freundlichen Grüßen
Benno
Mit solchen Spannungen arbeiten zu wollen, ist aber wahrscheinlich nicht gerade die beste Lösung - oder?
Es gibt elektrostatische Voltmeter (älter Spannungswaagen) die nach einem ähnlichen Priznip arbeiten.
Die Durchbiegung einer Platte grundsätzlich durch elektische Felder zu kompensieren ist sicher keine gute Lösung.
Besserwessi
08.04.2009, 21:15
Je Material wäre es eventuell möglich einen großen Teil der Gewichtkraft durch Auftrieb in einer Flüssigkeit zu kompensieren. Alternativ wäre auch ein Bett aus weichen Federn oder Luftdruck möglich, um die
Platte gleichmäßig zu unterstützen.
Ein Luftdruck der 0,27 N auf 0,02 m² gibt sind ja nur 13,5 Pa. Das ist sehr wenig, da sollte schon ein Lüfter reichen.
SprinterSB
08.04.2009, 21:32
Geht es denn um eine Kraft- bzw. Beschleunigungsmessung?
Dann könnte man doch auch versuchen, die Kapazität zwischen den Platten zu messen, die sich ja ändert -- vorausgesetzt, nur eine biegt sich durch.
Die Kapazitätsänderung dürfte aber sehr klein sein, im Bereich von fF oder pF, zumal sich nur der Abstand in der Mitte ändert, nicht am Rand. Das erschwert zudem die Modellierung, aber man kann ja auch Messen und die Werte speichern.
Jedenfalls muss man dann nicht mit wahnsinnigen Spannungen rumhantieren
Hallo,
jetzt bin ich auch wieder da - vielen Dank schon mal für Eure Antworten!
Hmm, ich sehe ein, daß ich echt ein Problem kriege, sobald sich die Platte auf die andere zu bewegt -> größere Kraft usw.
@Yossarian: ich weiß noch nicht genau, was Du meinst mit andersrum? Statt mit entgegengesetzter Ladung die Platte nach oben zu ziehen vielleicht von unten mit gleicher Ladung nach oben drücken? Ginge das vielleicht? Dann müßte ein größer werdender Abstand ja egal sein, weil dann die Kraft geringer wird -> Platte sackt wieder runter, dann wird die Kraft wieder größer - da sollte sich vielleicht eher ein Gleichgewicht einstellen...?
@Gock: mit der Oberflächenbeschaffenheit meine ich, daß die Form der Platte und Unebenheiten in der Oberfläche genau gemessen werden sollen. Und ich meine *sehr* genau. (Wir wollen damit nämlich Röntgenstrahlung ablenken.) Dafür darf die Platte natürlich nicht absacken.
@Besserwessi: Jaaa, genau die Idee mit dem Luftdruck hatten wir als erstes. Zwei Töpfe, auf den einen die Platte, den anderen offen. Verbinden, Wassersäule rein, auf der einen Seite die Säule ca. 1,35 mm erhöhen - voilá.
Nun ja. Jetzt find mal einen Meßaufbau, der das so schön mitmacht, stabil bleibt, und zudem keinerlei Temperaturschwankung ausgesetzt ist. Wenn sich die Luft mit 0.5°C um ca. 1/500 ihres Volumens ausdehnt, dann ist unsere Messung nämlich ganz schnell wieder für die Katz.
Scheint alles nicht so einfach zu sein!
@SprinterSB:
nein, die Kraft oder Beschleunigung sind mir im Prinzip egal. Es geht einfach nur darum, die Platte in genau die Form zu kriegen, die sie im schwerelosen Raum hätte.
Es handelt sich übrigens um eine dünne Glasplatte (ca. 0,5 mm), bedampft mit einer Metallschicht. Das ist also das zweite Problem: das Material ist recht zerbrechlich.
Besserwessi
08.04.2009, 22:18
Bei Glas könnte es noch gehen eine sehr schwere Salzlösung zu finden, sodass die Platte gerade so darin schwimmt. Das sind aber meistens ziehmlich unangenehme Flüssigkeiten um so einen Dichte zu erreichen.
Wenn die Rönthgenquelle es erlaubt, könnte man die Platte ja auch senkrecht stellen, dann wirk die Schwerkraft in eine leichter zu handhabende Richtung. Und sollte so die Platte weniger stark verformen.
Durch die Metallschicht wird man Spannungen in der Schicht haben, und die Platte wird nicht mehr mehr ganz eben sein. Das sollte aber sicher schon bekannt sein.
Man könnte vermutlich immer noch die Methode mit dem Drick wählen, wobei ich eher für Luft oder eine anderes Gas wäre. Über den Druck könnte man die Durchbiegung der Platte ggf. auch regeln. Eine Messung der Durchbiegung kann man sicher optisch messen, die Metallschicht sollte ja ein brauchbarer Spiegel sein. Für erste versuche ist es wahrscheinlich ohnehin einfacher mit Licht als mit Rönthgen zu arbeiten. Man kann schon minimale Durchbiegungen eines Spiegels ganz gut erkennen.
Ich hab schon versucht, mich über Flüssigkeiten zu informieren, die eine Dichte von ca. 2,5 kg/dm³ haben - aber da sieht es, wie Du schon sagst, eher schlecht aus. Ganz zu schweigen davon, daß dann mein Meßsensor Probleme haben wird...
Das mit den Spannungen ist uns allerdings bekannt. Wir überlegen, entweder auf beiden Seiten zu bedampfen (auf der Rückseite sollte es allerdings nicht-reflektierend sein), oder das Glas erst nach dem Aufdampfen zu erhitzen und zu formen.
Das ist nämlich das nächste Problem: die Platte ist eigentlich gar keine plane Fläche, sondern ein Paraboloid... allerdings mit großem Radius (Winkel zwischen Tangente am Auflagepunkt und Ebene ca. 6°), so daß ich das erstmal nicht in Betracht ziehen muß. Hoffe ich.
Zum Messen nehmen wir auf jeden Fall erst mal optisches Licht, Interferenzbilder oder sowas.
Ich muß allerdings nochmal betonen, was "minimale" Durchbiegungen hier wirklich sind. Wir sprechen von Strahlung im Wellenlängenbereich von einer Handvoll Nanometer (<10 nm). Ihr könnt Euch in etwa vorstellen, *wie* genau der blöde Spiegel sein muß...
So, und einen Druckluft-Erzeuger finden, der mir diese 13,5 Pa entsprechend konstant halten kann, klingt mir recht unrealistisch. Da kann ich eine Wassersäule wohl noch besser halten - aber schon da hakt es an den Verbindungsstücken, dem Druckmesser, der Temperatur etc.
Besserwessi
08.04.2009, 23:06
Wenn man auf der anderen Seite im Vakuum arbeitet sollte es keine Problem sein die rund 13 Pa als Absolutdurck konstant zu halten. Das geht dann vermutlich mit Pumpe, kleiner Öffnung und Druckmessung.
Wenn es um 13 Pa Überdruck bei Luft geht wird es schon etwas schwerer. Auch da wohl eher in einem Dynamischen System mit Pumpe ("Lüfter") und definiertem Leck. Ist aber sicher nicht einfach. Eine möglichkeit wäre z.B. eine auf dem Luftkissen schwebende Platte die den Druck begrenzt.
Ein Winkel von 6 Grad kommte mir schon relaiv groß vor. Da ist die Dicke schon ziehmlich ortsabhängig. Da hätte ich sogar schon bedenken das die andere Seite noch Eben sein kann. Damit wäre ein einfacher Gasdruck wohl auch nicht mehr die Lösung und Flüssigkeit als Druckmedium wohl noch weniger geeignet.
Muß das glass denn auch so dünn sein ? Die Optischen Hohlspiegel sind normalerweise ziehmlich dick, wegen der Stabilität. Ein paar cm sollten es eventuell schon sein. Für extreme Genauigkeit gibts dann ja auch noch die Glaskeramik mit sehr kleiner thermischer Ausdehnung. Ich befürchte aber die Träger muß so dünn sein, damit man nicht so viel Untergrund kriegt. Die Keramik fällt damit dann auch schon mal aus.
Hallo!
Wenn die Platte nur als Spiegel für Röntgenstrahlung dienen sollte, kann man sie nicht als eine entsprechend dünne Metallschicht auf mechanisch stabile Fläche ansprühen ?
MfG
mare_crisium
09.04.2009, 01:27
megana,
da hast Du eine wirklich komplexe Aufgabe vor Dir. Das einzige mir bekannte Beipiel, an dem alle Deine Fragen schon einmal durchexerziert wurden, ist das Röntgenteleskop der ESA (XMM Newton ). Ein paar technische Einzelheiten findest Du hier:
http://xmm.esac.esa.int/external/xmm_user_support/documentation/technical/Mirrors/index.shtml
Ganz unten findest Du eine Liste der an der Herstellung der Röntgenspiegel beteiligten Firmen und Institute. Vielleicht (wenn Du an einer Hochschule arbeitest und nicht gerade bei der Konkurrenz ;-) ) kannst Du mit den Leuten ins Gespräch kommen.
Ciao,
mare_crisium
@mare_crisium:
Tja, da hast Du den Nagel auf den Kopf getroffen: ich bin einer von diesen Leuten... Und die Kollegen, die damals bei XMM-Newton schon mitgearbeitet haben, stehen momentan leider ebenso auf dem Schlauch.
Wir wollen also genau so ein Ding bauen, nur schneller, besser, größer als XMM-Newton. Deswegen müssen wir die Spiegel auch segmentweise bauen - bei XMM-Newton was das noch im Ganzen machbar und das vereinfacht natürlich einiges.
Deshalb muß die Platte auch so dünn sein, deshalb auch so genau, deshalb muß sie im Schwerelosen die richtige Form haben...
Na gut, ich hätte mich auch sehr gewundert, wenn mir jemand das ganze Problem auf Anhieb lösen könnte - derjenige hätte wohl schnell einen lukrativen Job abstauben können ;-)
Ich danke Euch auf jeden Fall für Eure Hilfe! Jetzt bin ich wenigstens wieder ein bißchen weiter damit, was nicht geht...
Gruß!
Megana
Hallo!
Ich habe kurz gegoogelt und gleich auf der ersten Seite etwas zumindest für mich interessantes geunden. Leider als Leie kann ich es nicht ganz verstehen, aber vielleicht lässt sich damit eine Linse für Röntgenstrahlung bauen ?
http://adsabs.harvard.edu/abs/1964ZPhy..177..529B
MfG
Ah, schön, vielen Dank!
Auf die schnelle ist mir jetzt auch nicht ganz klar, ob und warum das mit dem Kristall (nicht) funktionieren könnte. Ich fürchte nur, es hat einen Grund, warum die Dinger immer alle mit Spiegeln gebaut werden... Möglicherweise haben wir hier die falsche Wellenlänge - so Röntgenstrahlung deckt ja doch einen ganz schönen Bereich ab, und wir wollen einen ganz bestimmten beobachten.
Ich finde die Sache mit den einzeln geformten dünnen Scheiben, die dann einfach zusammengesetzt werden, im Prinzip ja auch nicht schlecht. Aber wie immer steckt der Teufel im Detail, und das geht in diesem Fall schon dabei los, die Dinger überhaupt nachmessen zu können. Man will eben, wie immer, das bereits Dagewesene übertrumpfen.
In jedem Fall habe ich das dumpfe Gefühl, es wird noch eine Weile dauern, bis mein Teleskop das erste Bild zur Erde schickt...
was mir als erstes einfiele wäre "adaptive Optik", die es ja im Grunde auch ist.
Eine andere Möglichkeit wäre ein vorgespannter Rahmen, auf dem die Glasplatte aufgelegt wird. Die Vorspannung sollte so groß wie das Gewicht der Glaspaltte sein. Durch die Vorspannung biegt sich der Rahmen um den Betrag nach oben durch, um den die bedampfte Platte den Rahmen wieder zurückbiegt.
Bei großen Konstruktionen, wie Sapnnbetonbrücken, ist das ein übliches Verfahren. Vielleicht gehts ja auch im kleinen.
Eine andere Möglichkeit wären Elektrete. Könnte man ein Elektret zur Stützung auf die Rückseite der bedampfte Glasplatte kleben, dann würde ein zweites Elektret die Glasplatte mit dem aufgeklebten Elektret und der Bedampfung einfach wieder anheben. Bei den elektreten müssen sichnatürlich gleichnamige Pole gegenüberstehen.
Das ganze klappt natürlich nur in waagerechter Anordnung.
Hallo Megana!
Herzlichen Dank für deine Erklärung. Du weisst sicher besser als ich, was sich mit der Röntgenstrahlung machen lässt. Ich finde das Thema sehr interessant aber nicht einfach zu lösen. Man hat immer die Wahl entweder was neues suchen oder das schon bekannte verbessern. Bei der zweiter Möglichkeit ist das Risiko viel kleiner und deswegen wird sie auch viel öfters gewählt.
Ich wünsche dir und deinem Team viel Erfolg! :)
MfG
Hmm, das mit dem Elektret klingt gar nicht so übel. Mit den Dingern hab ich noch gar nicht viel zu tun gehabt. Weißt Du da mehr drüber? Google ist da nicht so sehr ertragreich, mein Wissen beschränkt sich also momentan auf Wikipedia...
Besserwessi
09.04.2009, 18:45
Elektrostaische Kräfte sind einfach zu gering um die nötige Kraft aufzubringen. Das hat schon die erste Abschätzung gezeigt. Wenn man irgendwas von 50 kV / cm braucht hat man wirkliche Probleme.
Beim elektret hat man zusätzlich noch das Problem das die Kraft ungleichmäßig sein wird, weil die polarisation nicht so gleichmäßig ist.
so, mal ne andere idee, keine ahnung ob umsetzbar oder nicht:
die platte hat ja nur 0,02m², wie groß ist dein versuchsaufbau?
du könntest die schwerkraft ja für rund eine halbe minute ausschalten (http://de.wikipedia.org/wiki/Parabelflug), wenn sich die messung in der zeit durchführen lässt, oder öfter und immer ein segment messen.
is sicher nicht gerade billig, aber allein der spiegel wird schon sein geld wert sein.
sg clemens
Christian H
10.04.2009, 10:15
Hallo,
wie wärs damit:
Man unterstützt die Platte durch zahlreiche Piezos, welche selbst auf einer massiven Unterlage liegen, welche bereits weitgehend dem Parabolid entspricht. Über die Spannung an den Piezos läßt sich die Unterstützung an vielen Punkten auf nm genau regeln, ähnlich wie bei einem Rastertunnelmikroskop.
Viele Grüße
Christian
Hallo zusammen,
ja, das mit dem Parabelflug haben wir auch schon überlegt, aber das ist leider viel zu kurz. Außerdem werden wir insgesamt ja ziemlich viele solcher Spiegelsegmente haben...
Wir haben zwei Möglichkeiten: entweder den Spiegel im gravitationsfreien Zustand messen - dauert einige Zeit, so einen Tag oder so, bis alles vermessen ist - oder in dem Zustand erstmal nur verkleben, d.h. die Gegenkraft wird nur so lange aufrecht erhalten, bis der Spiegel fest in der Halterung ist (ca. 30 Minuten). Und dann kann ja nicht mehr viel passieren.
Das mit den Piezos ist an sich keine schlechte Idee, aber ich fürchte, damit beinflussen wir den Spiegel schon wieder zu sehr - wir wollen ja wissen, ob das Ding im Schwerelosen dann wirklich die richtige Form annimmt. Wenn wir da zahlreiche Piezos drunterlegen, haben wir die Form ja eigentlich schon vorgegeben...
Grüße
Ok, hier nochmal eine ganz andere Idee:
Könnte man vielleicht mit Schalldruck arbeiten?! Der benötigte Druck ist ja nicht so groß, und einen Druck von ca. 13 Pa kann man doch über entsprechend laute Beschallung erzeugen. Erste googlometrische Untersuchungen haben einen benötigten Schallpegel von ca. 115 dB ergeben. Ist nicht gerade leise, aber doch eigentlich innerhalb des machbaren.
Offene Fragen sind natürlich: Wie konstant kann man sowas halten? Wie gleichmäßig wirkt der Schalldruck auf die Oberfläche? Wie sehr "schwingt" das ganze dann (oder muß man einfach nur die Frequenz hoch genug nehmen, daß die Schwingungen keinen Einfluß mehr auf unsere Oberflächenmessungen haben)?
Als Vorteile sehe ich spontan: kein Einfluß von Temperaturschwankungen, keine Dichte-Probleme wie bei Wassersäulen etc., den Schalldruck müßte man relativ genau einstellen können (im Gegensatz z.B. zu 1,3 mm Wassersäule), keine riesigen Spannungen...
Hat jemand mit sowas schon Erfahrungen?
Danke und Gruß
Schalldruck? Wie soll das funtkionieren? Und wie vor allem willst Du Schwingungen verhindern, die Deine "genaue" Messung beeinträchtigen?
Wieso reicht es eigentlich nicht aus, von den Messergebnnissen unter Schwerkrafteinfluss auf die Form ohne diese zu schließen/simulieren?
Bei verschiedenen Temperaturen gemessen, sollte man da doch eigentlich brauchbare Ergebnisse bekommen.
Gruß
Eine Simulation haben wir schonmal machen lassen - sah eigentlich auch ganz professionell aus - aber schon bei der ersten Messung haben wir ca. 50% mehr Durchbiegung gemessen als vorausgesagt.
Und wenn der Fehler bei ca. 10µm liegt, wir mit dem Ding aber Strahlung von der Wellenlänge <10nm ablenken wollen, dann reicht es leider nicht aus.
Ich wage langsam zu bezweifeln, daß es überhaupt eine Lösung gibt... :-(
Hallo Megana!
Ich bin sicher, dass eine Lösung gibt, man muss vieleicht nur andere Methode annehmen. Ich kenne mich leider nicht genug mit Röntgenstrahlung aus um Dir zu helfen. Es müsste aber möglich sein eine Linse (einen Festkörper, in dem sich die elementare Teilchen ungerade bewegen) für diese Strahlung, so wie für optische Strahlung zu bauen. Ich habe in meinem Leben schon viele Probleme gelöst, die am Anfang, ohne neuen Ideen unlösbar waren. Leider oft ist dafür eine Grundforschung notwendig.
MfG :)
Besserwessi
15.04.2009, 21:19
Eine relativ einfache Möglichkeit wäre es z.B. das Vermessen des Spiegels 2 mal zu machen, und den Spiegel zwischendurch um 180 Grad zu dehen. Dann hätte man einmal die Schwerkraft nach unten und einmal nach oben. Bei den eher kleinen Auslenkungen sollte die Durchbiegung noch linear sein, und der Mittelwert aus beiden Messungen stimmen. Für die optischen Messungen sollte das kein Porblem sein, für einen echten Test mit Rönthgen wäre das aber wohl ein Problem, denn dann hat man ja die optischen Qualität als focussierenden Spiegel sicht mehr.
Da wäre eventuell aber schon eine senkrechte ausrichtung ausreichend, wenn man denn nicht gerade am Syncrotron messen will (oder muß) und die horizontale Ausrichting braucht.
@PICture:
Deine Joberfahrung (die ich noch nicht aufweisen kann) beruhigt mich :-) Ich finde, für einen Jobanfänger hab ich da ein ganz schön happiges Problem zu lösen. Aber man wächst ja bekanntlich mit seinen Aufgaben...
@Besserwessi:
Der Gedanke ist überhaupt nicht dumm. Die Auslenkung durch die Gravitation ist ja "nur" 20 µm - also viel für unsere Strahlung, aber wenig verglichen mit den Ausmaßen des Spiegels (10 x 20 cm). Und die Gravitation ist ja doch recht verläßlich konstant, zumindest innerhalb ein und desselben Labors...
Für unsere optischen Messungen läßt sich das sicher erstmal machen. Wie das dann mit den Röntgentests aussieht, ist eine andere Sache - aber dafür sollten die Spiegel dann ja eh schon fest in der Halterung sein, das ist sowieso das nächste Problem...
Ich bin übrigens momentan dabei, doch noch die Sache mit der Wassersäule weiterzuverfolgen. Wir haben einen Differenzdruckmesser, der im entsprechenden Meßbereich arbeitet, und durch die offene Wassersäule auf der anderen Seite sind die Luftdruckschwankungen ausgeglichen. Sorgen machen mir da wie gesagt Temperaturschwankungen - aber jetzt wird erstmal getestet, ob die einzelnen Komponenten überhaupt dicht sind...
Hallo!
Ich weiß nicht, ob die Idee realisierbar ist, mir ist aber eingefallen, dass man die ganze Konstruktion auf geeignete kleine Fragmente verteilt, die nach Zusammenbau die richtige Funktionalität garantieren. Dann könnte man die Spiegel in jedem Fragment unter Gravitationskraft prezise einstellen und das Fragment danach mit einer langsam fest werdender Flüssigkeit (Klebstoff?) asfüllen, so das die Spiegel seine Lage auch ohne Gravitation beibehalten würden. Wahrscheinlich könnte man mehrere gleiche Fragmente verwenden. Fraglich ist, ob der gesamte Gewicht nicht zu groß wird. Vielleicht reicht es nur jeden Spiegel nach dem Einstellen mit langsam festwerdender Substanz durch kraftloses Ansprühen fixieren (einseitig bzw. umhüllen). Das Endergebnis kann man einfach unter Gravitation bei z.B. um 90° gedrehtem Spiegel prüfen.
MfG
Ein Problem das nicht alle Tage gelöst werden muss, sehr schön darüber diskutieren zu können.
Die Lösung mit dem Luftdruck halte ich für vielversprechend. Sie ist aufgeteilt in die Frage wie man den Luftdruck präzise erzeugen und konstant halten kann, und, ob der Luftdruck bei (trotz) gekrümmter Fläche ausreichend präzise die Gravitation kompensieren kann. Bei gering gekrümmter Fläche und waagerechter Aufhängung könnte es ja reichen.
Können wir uns damit auf die präzise Einstellung der 13,5 Pa konzentrieren? Da gäbe es wohl Ansätze analog zu kleiner Spannung mit Spannungsteilern und Tiefpassfiltern.
gretchenfrage: ist das ding überall gleich dick?-wenn nicht hast du wieder ein problem dass die gewichtsgraft nicht gleichmäßig ist, der auftrieb/die druckkraft aber schon.
sg clemens
Wie wäre es, wenn du auf die Platte eine weitere legst. Die obere besitzt in der Mitte ein Loch mit einem Schlauch anschluss. Wenn du da Druckluft durchbläßt, "kleben" die Platten fast aneinander, nur dass sie sich nicht direkt berühren. die obere Platte kann dann hochgehoben werden und die untere würde mit hochgehen. entsprechend dem Abstand zwischen den Platten kann man den nötigen Luftdruck berechnen. Der liegt weit über 13.5 Pa und ist dann vielleicht leichter handhabbar.
Stichwort: Aerodynamisches Paradoxon
Super - da sind echt ein paar Ideen dabei, auf die ich noch gar nicht gekommen bin.
Das mit den Fragmenten und mit der Fixierung in der richtigen Halterung ist an sich schon ein guter Gedanke, allerdings gefällt es uns nicht so, daß wir damit das Glas in die richtige Form "zwingen", sprich innere Spannungen produzieren. Das Ding muß schließlich im Vakuum und gravitationsfreien Zustand, ausgesetzt extremer Temperaturen, über mehrere Jahre zuverlässig stabil sein. Und, wie Du schon sagst: das Gesamtgewicht ist auch ein Problem. Diese Spiegelschälchen, die wir zur Zeit testen, sind ja eh schon nur Fragmente vom Gesamtaufbau.
Die Luftdruck-Sache ist übrigens zur Zeit im Aufbau: ich versuche einfach, eine Wassersäule von 1,35 mm aufzubauen und konstant zu halten. Momentan ist der Topf mit dem Spiegel noch nicht dran, sondern nur der Druckmesser, und ich wundere mich doch sehr, daß das Ganze sogar halbwegs stabil aussieht (die letzten zwei Stunden hat der Druck zwischen 10 und 25 Pa geschwankt, und den Meßbereich des Druckmessers noch nicht überschritten). Frei nach Pi mal Daumen müßte das Ding doch extrem temperaturempfindlich sein: die 13,5 Pa sind ~1/10000 des Luftdrucks, ergo wird dieser Druck bereits erzeugt, wenn die Luft unter dem Glas ihr Volumen um 1/10000 ändert. Und so eine Volumenänderung haben wir bereits bei Erwärmung um, naja, so 0,025°C.
Das mit dem Winkel des gekrümmten Glases ist die nächste Sache: es handelt sich wohl um etwa 6° zwischen Tangente am Glas an der Stelle, wo es aufliegt, und der Waagerechten. Kann man wohl (erstmal) vernachlässigen...
Die Platte ist übrigens wirklich überall gleich dick - da achten sie schon beim Formen des Glases drauf, weil es (mit der momentanen Methode) sonst sofort Abweichungen in der Spiegelform gibt.
Das aerodynamische Paradoxon ist eine prima Idee (ich mag physikalische Tricks!). Allerdings hab ich damit noch gar nicht gearbeitet und hab grad gar kein Gefühl dafür, was man da wohl für Drücke bräuchte, und vor allem wie konstant man die halten kann. Frage: funktioniert das denn wirklich auch, wenn die untere Platte bereits konkav ist? Und ist das dann nicht ziemlich schwierig, den korrekten Abstand / Druck zu bestimmen?
Die Form der Platte in der Mitte dürfte wohl keine Unterschiede machen. Notfalls müsste man die andere auch leicht konkav formen. Den Druck berechnet man über die bernoulli Gleichung. p0 = p + 1/2 * rho*v^2. Wobei v die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums mit Dichte rho ist. Zugleich gilt die Kontinuitätsgleichung mit A1v1 = A2v2. A1 und v1 sind bei dir die Maße der Zuleitung. A2 wäre der Spalt wischen den beiden Platten einmal rundherum. Wegen diesem Spalt strömt die Luft dort mit einer hohen Geschwindigkeit nach Außen. Dadurch sinkt der statische Luftdruck zwischen den Platten und es wird ein Auftrieb erzeugt. Diesen Effekt hab ich in einer Experimentalphysik Vorlesung gesehen. Dort hat es sehr gut funktioniert. Wie es aber in diesem Fall ausschaut kann ich leider nicht sagen. Ich bin da kein Fachmann.
Viel Glück
Mir ist gerade eingefallen, dass es durchaus einen unterschied macht, ob die "Platte" konkav ist oder nicht. wenn sie beidseitig gekrümmt ist, dann wird in der Mitte der Spalt ein bisschen größer sein. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dann nicht die gleiche wie außen sein, was zur Folge hat, dass die Kräfte auf die Platte nicht überall gleich groß sind. Dies gilt aber nur wenn die konkave Seite zwischen den Platten ist. Andernfalls sind die wirkenden Kräfte eigentlich gleich groß. Aber wie schon gesagt, ich habe nur einen qualitativen - sehr schönen - Versuch, aber keinen quantitativen gesehen.
Das mit dem Unterdruck aufgrund der Fließgeschwindigkeit sieht sehr elegant aus. Um einen konstanten Unterdruck pro Fläche zu erhalten muss dann aber überall die gleiche Geschwindigkeit herrschen. Das ist bei einer zentralen Öffnung sicher nicht zu erreichen.
Konstante Druckverhältnisse erreicht man wohl eher bei ruhender Luft oder mit einer Regelung die gerade den Luftverlust ausgleicht. Der Druck wirkt dabei als Kraft senkrecht zur Fläche. Für 6° muss man dann eine Abweichung von der Größe 1-cos(6°) erwarten, also ca. 0,5%.
Also bei planparallelen Platten wird die Ströumgsgeschwindigkeit, sofern die Platten von der Oberflächenbeschaffenheit es zulassen überall konstant sein. Wenn die Luft durch eine Zentrale öffnung hineingepresst wird, sind alle Raumrichtungen gleichwertig. Man muss vielleicht am Anfang ein bisschen die obere Platte auf die untere drücken, damit der Abstand an den Rändern minimal wird. Wenn die Platte konkav ist, muss man eben schauen, dass das Einströmloch exakt in der Mitte ist. Wer aber so genaue Platten herstellt, sollte das auch hinbekommen.
Bei einer Senkrechten Belüftung wird man wohl das Problem haben, dass sich in der Mitte Wirbel bilden. An der Seite hingegen kann ein Teil der Luft vorbeiströmen. Damit wird man keine Gleichmäßige Kraft erzeugen können.
Besserwessi
17.04.2009, 16:07
Bei einem gschlossenen Volumen sehe ich da auch probleme den Gasdruck konstant zu halten. Schon änderungen im Luftdruck sollte da zu problemen führen. Ich hatte da mehr an ein dynamisches System gedacht. Eine Luftpumpe / Lüfer sorgt für einen kleinen Luftstrom, und eine art Überdruckventil leitet so viel Luft ab, bis der Druck stimmt.
@Besserwessi:
Das mit dem geschlossenen Volumen wollten wir ja mit einer Wassersäule so elegant lösen, daß Luftdruckänderungen automatisch ausgeglichen werden - siehe Bild. Dadurch, daß auf der einen Seite offen ist, heben sich die Schwankungen auf beiden Seiten auf.
Ich habe nur gerade das dumpfe Gefühl, daß ich beim Temperatureinfluß im geschlossenen Kasten einen Denkfehler drin hab: ich hatte ja behauptet, daß schon eine Volumenänderung von 1/10000 unsere Luftdruckdifferenz von 1/10000 erzeugen sollte (nach der allgemeinen Gasgleichung).
Wenn ich mir jetzt aber vorstelle, ich hätte unter dem Glas nur ein Luftvolumen von: Fläche x 1,3mm. Jetzt will ich den Druck so weit erhöhen, daß ich auf der anderen Seite eine Wassersäule von 1,3mm habe (die ja unseren 13 Pa entspricht). Das hieße aber, daß sich das Gas um 100% ausdehnen müßte - und das verträgt sich nicht mit dem Ansatz mit der Gasgleichung von oben.
Sieht jemand, wo da der Wurm drin ist?! Ich steh hier grad ziemlich auf dem (Wasser-)Schlauch. Spielt nun das Gesamtvolumen eine Rolle oder nicht??
Der Ansatz mit dem aerodynamischen Paradoxon gefällt mir auch immer noch recht gut. Die Frage ist aber doch, wie sehr (und wie lange) man das stabil halten kann, und was hier passiert, wenn sich der äußere Luftdruck ändert etc.
Also ich hab eine Wassersäule von 1,38 * 10^-3 m raus. Das ist aber die Wassersäule, die auf die Luftsäule drückt. Die Reibung im Schlauch wird immens in den Verhältnissen sein. Dann musst du alles isotherm behandeln. Wer sagt dir aber, dass wenn du Druck auf das Gas ausübst, sich die Temperatur nicht verändern wird. Du müsstest also ein Dewargefäß außenrum bauen und irgendwie Wasser und Luft drennen. Dann, aber auch nur dann wenn wirklich alles ideal ist, wirst du mit dieser Konstruktion deine Gewünschte Kraft erziehlen. Es wird aber schwierig.
Beim Aerodynamischen Paradoxon darf sich theoretisch der Luftdruck nicht ändern. Ich weis aber jetzt nicht, wie stark es sich auswirken wird.
Besserwessi
20.04.2009, 17:04
Das mit dem paradoxon ist so direkt noch nicht geignet, denn man hat einen druck der von der Strömungsschawindigkeit abhängt und damit in der Mitte niedriger wäre. Man kann aber ein ähnliches Prinzip nutzen um dynamisch eine Druck zu stabilisieren. Durch Rohre / Löcher mit unterschiedlichen Durchmesser kann man eine sehr konstantes Druckverhältnis erzeugen und so wegkommen von den doch eher unhandlich kleinen 13 Pa.
Die Gaskleichung für das geschlossene Volumen stimmt schon. Bei der wassersäule von 1,3 mm muß man aber die differenz der Höhen betrachen und das Gas kann für so kleine Druckänderung als fast incompressibel angesehen werden.
Bei der Wassersäule kriegt man auch noch zusätzliche Effekte dadurch das man feuchte und trockene Luft mischt und so unterschiedliche Dichten hat. Außerdem hat das Wasser ein Oberflächenspannung und in dem dünnen Rohr gibt es da auch Probleme. Schließlich kommt durch den Kapilareffekt das Wasser auch schon mal ein paar mm höher als sonst.
Das klingt nur kompliziert. Wie weit man beispielsweise den Wasserbehälter pro Druckänderung anheben muss hängt von der Fläche ab.
Wenn der Druck aber gemessen wird dann wird man ihn solange anheben bis der gewünschte Druck erreicht ist und fertig.
Konstruktiv ist das mit dem Anheben des Wassers wohl etwas kompliziert. Läßt man eine Luftpumpe laufen und justiert eine Auslassklappe dann hat man den Druck einfacher geregelt. Das wurde ja auch schon vorgeschlagen.
Bei der Druckdifferenz durch Strömung sollte man einmal den Luftweg aufzeichnen. Wie strömt die Luft da zwischen den parallelen Platten? Wie sieht die Luftverteilung von oben auf die Platten betrachtet aus? Ist mit der Geschwindigkeitsverteilung eine konstante Druckverteilung zuerreichen?
Naja man müsste für eine gleichmäißge Strömgeschwindigkeit eine konvexe Platte anfertige, die im gleichen Maße nach oben gekrümmt ist. So wäre der Abstand zwischen den Platten immer konstant. Wenn ich mich nicht vertippt hab, bräuchte man ne Strömungsgeschwindigkeit von 4,57 m/s zwischen den Platten. Ich glaube es wird leichter sein, das zu händeln
Also, mit Luftpumpe und Auslaßklappe sind unsere Konstrukteure hier sehr skeptisch. Verwirbelungen etc. tauchen garantiert auf, und erzeugen an manchen Stellen Unterdruck, dann wieder zuviel Überdruck etc. Ich glaube, daß da eine konstante Wassersäule noch leichter zu handhaben ist.
Durch die Mathematik, wie weit man die Wassersäule anheben muß, wurschtel ich mich gerade durch. Aber wie gesagt: wir haben einen Druckmesser, und momentan habe ich das ganze auch so aufgebaut, daß ich den Wassertopf einfach so weit anhebe, bis ich 13.3 Pa bekomme.
So kompliziert ist das Anheben übrigens nicht; wir haben da eine Hebebühne, die man relativ fein justieren kann.
Ich denke auch, daß so Dinge wie Reibung im Schlauch oder Luftfeuchtigkeit egal sind: wenn die Wassersäule von 1.38mm konstant bleibt, dann herrscht auf der anderen Seite ein Druck von ca. 13.3 Pa, egal was.
Die andere Lösung mit dem Paradoxon würde wohl wirklich nur gehen, wenn wir ein genaues Gegenstück der Platte oben drüber hätten. Aber das sollte ja kein Problem sein. Mehr zu denken geben mir Besserwessis Anmerkungen mit der Strömungsgeschwindigkeit: wenn ich in der Mitte in Loch habe, wo die Luft rauskommt, dann hab ich an der Stelle doch sicher keine >4 m/s Strömungsgeschwindigkeit? Hat jemand eine Ahnung, wie man das nun genau berechnen könnte? Ich habe das Gefühl, das wird recht komplex, da sich mit der Strömungsgeschwindigkeit der Druck ändert, damit wiederum der Abstand und damit wieder die Geschwindigkeit... ich sehe da ein paar Differenzialgleichungen auf mich zukommen...
Besserwessi
22.04.2009, 19:30
Das mit der Strömungsgeschwindigkeit ist eher einfach: Die selbe Luft muß von innen mach außen. Außen ist der Querschnitt größer, also die Geschwindigkeit kleiner. Außerdem gibt es durch die Reibung noch einen Druck, der die Strömung antreibt. Schwierig ist dann noch schon mal der Bereich in der Mitte, da wo das Loch ist und die Luft einströmt.
Wenn man den Druck über den Wasserstand regeln will, geht dass sicher auch. Man könnte z.B. einen Stab mehr oder weniger Tief in das Gefäß eintauchen lassen, und so den Wasserstand sehr fein verändern.
Die "Reibung" oder besser adhäsion an den Rändern kann schon ein Problem werden, denn da kommen zusätzliche eher schlecht zu kontrollierende Kräfte, die den Wasserstand ein paar zehntel mm anheben können. Aus versuchen zur Dichtemessung kann ich mich erinnern das schon mal einige µN zusammenkommen können an einem Dünnen Draht, selbst wenn man sich Mühe gibt das zu vermeiden. Für einen dickeren Schlauch wird das mehr werden.
Die Luftfeuchtigkeit kann auf 2 Weisen zu Problemen führen: Einmal ist feuchte Luft leichter als trocken. Man kreigt also in dem Schlauch auch eine kleine Druckdefifferenz, einfach dadurch das im Schlauch über dem Wasser feuchte leichte list, und im Raum eher trockene Luft ist. An dem Übergang vom Gefäß zum Raum kann man außerdem eine Konverktionsströumg bekommen weil feuchte Luft mehr oder weniger frei aufsteigen kann. Das 2 te Problem ist die gefahr von Kondensation, wenn die Temperatur irgendwo niedriger ist als die des Wassers.
Indirekt kommt noch das Problem dazu, dass durch die Verdunstung das Wasser kälter sein wird als der Rest des Raumes. Für sehr genaue Messungen sollte man aber Eine Konstante Temperatur haben.
Das Problem ließe sich lösen, wenn man keine Wasser sondern eine Flüssigkeit mit niedriegem Dampfdruck (z.B. Öl) nimmt. Auch die Benutzung von Salzwasser wäre schon eine Möglichkeit. Dann könnte die normale Luftfeuchtigkeit im Gleichgewicht mit dem Wasser sein, denn der Dampfdruck wird durch das Salz etwas reduziert.
Zur Erzeugung eines konstanten Druckes kann man das auch so machen, wie es z.B. die PTB für Drücke im Bereich einiger bar macht: Ein sehr leichtgängiger Zylinder mit einem Gewicht für die Kaft erzeugt den Druck. Ein sehr leichtgängiger Zylinder (z.B. geschliffenenes Glas mit sehr wenig spiel) ist eventuell nicht ganz dicht, aber das könnte man sicher durch einen kleinen konstanten Gasstrom ausgleichen, der dafür sorgt das der Zylinder immer in der selben Höhe bleibt. Der Druck ließe sich sogar sehr genau berechnen und leicht verändern.
Ich bring mal ne neue Idee ein... ich hab nicht so ein großes Fachwissen :) aber drum denk ich mal einfach vllt das ganze mit magnetischen feldern lösen???
lg
Hallo zusammen!
Jetzt meld ich mich auch mal wieder... (Sorry, hatte noch ein paar andere Dinge auf'm Schreibtisch liegen...)
Ich habe jetzt also mal meinen Lieblingsansatz, nämlich den mit der Wassersäule, experimentell so weit wie's geht durchgeführt (bzw. vom Werkstudenten durchführen lassen). Dabei bin ich (neben genug anderen Problemchen, z.B. den Druckmesser dazu bringen, die Werte in den Computer auszuspucken) sehr bald an die technischen Grenzen der ganzen Sache gestoßen. Kurz gesagt: die Temperaturschwankung macht mir viel zu sehr zu schaffen.
Als erstes hatte ich mich natürlich hingesetzt und die Sache mal theoretisch durchgerechnet. Die Ausdehnung der Luft unter dem Glas hängt natürlich vom Gesamtvolumen ab -> Volumen klein machen. So weit, so gut.
Problem dabei: das Volumen muß *extrem* klein sein, damit mich die Druckänderung bei z.B. 0,1° Temperaturdifferenz nicht mehr stört. Und da ist dann schon der Schlauch zum Druckmesser zu groß. Dazu kommt, daß die Scheibe ja nicht flach, sondern als Paraboloid / Hyperboloid gekrümmt ist, d.h. ich kann mit dem Wasser nicht beliebig nah an die Scheibe heran... und so weiter und so fort...
Ich bin also wieder auf der Suche nach neuen Ansätzen. Da möchte ich jetzt nochmal auf drei Ideen zurückgreifen (falls Ihr noch alle da seid, nach der langen Funkstille meinerseits...):
1. @Besserwessi: wie ist das genau mit dem leichtgängigen Zylinder? Ich kann mir das grad nicht vorstellen. Wenn das aber schon gemacht wird, für Drücke in etwa dem gewünschten Bereich, dann klingt das vielversprechend.
2. Vielleicht sollte man doch noch mal über das Ganze mit dynamischem Druck, d.h. konstanter Luftstrom von unten an die Scheibe, nachdenken. Vom Gefühl her würde ich sagen, das ist vielleicht doch besser zu handhaben und zu kontrollieren als ein statischer Aufbau. Hat hier irgendjemand Erfahrung?
3. @Noss: an magnetische Felder hab ich auch schon gedacht, aber nur ganz am Rande... da werd ich jetzt nochmal drüber nachdenken; das sollte doch vermutlich besser gehen als die ursprüngliche Idee mit dem elektrischen Feld.
Für weitere Ideen bin ich immer dankbar :)
Grüße
Eine sehr leichtgängige Kolben- Zylinder Anordnung, die gleichzeitig völlig dicht ist habe ich zum Test gebaut und in diesem Film dargestellt.
http://www.youtube.com/watch?v=21WzdjqAG0s&
http://i3.ytimg.com/vi/21WzdjqAG0s/default.jpg
Besserwessi
02.06.2009, 18:01
Ein Beispiel für die Druckmessung mit Kolben (geht auch zum Konstanthalten) ist hier:
http://lr-cal.de/produkte/cpb_5000.htm
Wenn es nur ums Konstant halten geht, kann man etwas ähnliches auch für einen kleineren Druckbereich (großerer Kolben) anpassen. Eventuell wäre ja sogar eine recht große Membrane geeigent, dann hätte man keine Reibung mehr, dafür aber keinen direkt berechenbaren Durck mehr.
Die Strömung direkt unter der zu stützenden Probe sollte ein Problem sein, denn da hat man keinen gleichmäßigen Druck. Eine 2 te Platte nur um den Druck stabil zu halten, könnte funtionieren. Der Luftstrom könnte es aber schwer machen eine stabile Temperatur zu erhalten.
Super, Manf, gutes Video!
Die Technik wenn man jetzt einbauen könnte in so ein Druckmeßgerät...
Das Gerät auf dem Link von Dir, Besserwessi, gefällt mir gut. Nur die Stabilität über "ein paar Minuten" könnte ein Problem werden - das ist ein bisserl kurz... wie gesagt, Manfs Technik könnte es lösen!
Nur: wenn ich da jetzt selber das Basteln anfange, wie kann ich dann den Druck so genau einstellen? Da müßte ich ja die genauen Reibwerte, Gewicht des Kolbens etc. etc. wissen...
Besserwessi
03.06.2009, 17:44
Wenn man mit dem Ferrofluid arbeitet, sollte die Reibung zu vernachlässigen sein. Das einzige was man genau messen muss, sind der Zylinderdurchmesser und und das Gewicht des Kolbens. Wobei das Gewicht allerdings mit der Flüssigkeit ein Problem wird. Ohne Dichtung muß man halt die Leckagen dynamisch ausgleichen und man müßte sich überlegen welcher Durchmesser (Kolben oder Zylinder) zählt. Bei einem eher großen Druchmesser (z.B. 20 cm) sollte das aber nicht so krietisch sein. Am wiegen sollte es ja nicht scheitern.
Mit einer Membrane, müßte man den Druck wohl noch mal unabhängig messen und die Membrane nur zum konstant halten nutzen.
Hmm, das mit der Membran stell ich mir auch eher schwierig vor. Die Sache mit dem Kolben fängt allerdings an, mir zu gefallen.
Die käuflich erwerblichen Kolbenmanometer sind allesamt für viel höhere Drücke ausgelegt. Lediglich eins hab ich gefunden, was fast hinkommt (Anhang): Meßbereich 20 Pa bis 25 kPa für Überdruck. Schade. Es steht allerdings dabei, daß man Differenzdrücke schon ab 5 Pa messen kann. Wie ist das gemeint - ich hab doch im Prinzip einen Differenzdruck, verglichen mit dem Außendruck? Krieg ich das Ding doch so hin, daß ich's benutzen kann?
Ansonsten muß ich eben selbst basteln. Ich hab mal eben kurz gerechnet: wenn ich einen Kolben von 20 cm Durchmesser nehmen möchte, dann sollte der ein Gewicht von ca. 42,5 g haben. Das halte ich für machbar.
Dann stellt sich aber die Frage: pneumatisch oder hydraulisch? Pneumatisch würde mir besser gefallen, da ich das Spiegelglas nicht unbedingt in Wasser tunken möchte. Mit Luft habe ich aber wieder den Nachteil, daß sich das Luftvolumen mit der Temperatur zu stark ändert.
Oder eben doch wieder: Wasser bis kurz unter die Scheibe, aber statt der Wassersäule auf der anderen Seite eben mit dem Kolben arbeiten? Das sollte doch klappen?
Wie verträgt sich so ein Ferrofluid mit Wasser? Oder muß ich da auch noch ein Luftpolster drin lassen?
Hmm, den Anhang mag er nicht.
Zu finden auf http://europascal.de/ unter Druck, Druckwaagen pneumatisch, Kolbenmanometer V-505-I.
Mit Luft habe ich aber wieder den Nachteil, daß sich das Luftvolumen mit der Temperatur zu stark ändert.
Wenn Du das druckgeregelte Volumen ständig durchströmst, kannst Du die (temperuaturbedingte) Volumenänderung und auch kleine Undichtigkeiten ausregeln. Ich denke mir, dass man über eine kalibrierte Düse von einem konstanten, höherem Druckniveau eine definierte Einströmung herstellt. Die Ausströmung in die Atmosphäre erfolgt (abgesehen von Undichtigkeiten) über ein Stellorgan, das über die Stellung des Meßkolbens so angesteuert wird, so dass sich ein stationärer Zustand einstellt.
Wie genau läßt sich das denn machen? Ich brauche ja einen sehr kleinen Druck: 13,3 Pa. Ich würde jetzt gefühlsmäßig sagen, daß über so eine Ein-/Ausströmung doch eher große Unsicherheiten reinkommen...
Wie genau läßt sich das denn machen? Ich brauche ja einen sehr kleinen Druck: 13,3 Pa. Ich würde jetzt gefühlsmäßig sagen, daß über so eine Ein-/Ausströmung doch eher große Unsicherheiten reinkommen...
Einströmung:
Die Druckdifferenz zum höheren Druckniveau wird man vermutlich recht genau einstellen können. Dann ist der Durchfluß hauptsächlich von der Düse abhängig, hier sollte man laminare Strömung anstreben (entweder lange Kapillare oder Fritte). Soweit ich weiß, wird bei Vakuum- Batchprozessen (Plasmabehandlung, Sputtern, CVD,...), die bestimmte Gaskonzentrationen benötigen über solche Kapillaren und einem zeitgesteuertes Magnetventil die Gase in den evakuierten Rezipienten eindosiert. Düsengeometrie und Viskosität des Gases sollten nur einen leichten Temperaturgang haben. Ich könnte mir vorstellen, dass man da gut reproduzierbare bzw. zeitkonstante Werte hinbekommt (zumal langsame Änderungen bei der vorgeschlagenen Variante ausgeregelt werden).
Ausströmung:
Hier braucht man ein Stellglied (Klappe/Ventil(Schieber) das schon einen vergleichsweise großen Querschnitt bei relativ kleiner Durchströmung haben dürfte. Die Druckdifferenz ist ja klein. Das macht die Sache wieder einigermaßen handhabbar und robust.
Es stellt sich noch die Frage nach dem Meßglied (Kolben, 20cm Durchmesser, 42,5 Gramm schwer?). oder doch zwei kommunizierende Gefäße mit Sperrflüssigkeit (lieber Öl als Wasser, wegen Benetzbarkeit, Dichte, Dampfdruck, Korrosion), die Höhendifferenz der Flüssigkeitsspiegel wäre dann mit großer Genauigkeit zu erfassen. Vorgeschlagen wurde ja auch eine Membran. Ein rotierender Kolben, dessen Dichtspalt mit Öl gefüllt ist, dürfte sowohl ausreichend dicht, als auch frei von Haftreibung sein.
So ein Kolben kann auch als Stufenkolben ausgeführt werden und damit als Druckübersetzung zu einem höheren, besser erfassbaren Druckniveau verwendet werden.
Bekommt man aber über die Strömung nicht wieder eine Veränderung der effektiven Druckes? Ich denke da an Verwirbelungen etc. unter der Scheibe. Da muß ich mich aber mal informieren.
Das Meßglied ist eine Glasscheibe, deren Gewichtskraft mit einem Druck von 13,3 Pa ausgeglichen werden muß.
Die Sache mit den kommunizierenden Gefäßen hab ich die letzten Wochen detailliert durchdacht, aber da gibt es mehrere Probleme, angefangen von der Messung der Höhendifferenz. 1,3 mm Wassersäule sind nicht viel, und wenn ich das per Auge pi mal Daumen ablesen will, komm ich sofort in Teufels Küche. Abgesehen von Kapillarkräften etc., die mir das Ablesen noch zusätzlich erschweren.
Hinzu kommt eben die große Empfindlichkeit der Luftblase unter dem Glas gegenüber Temperaturschwankungen: hier haben wir sofort einen Überdruck, wenn sich T erhöht, und zwar einen durchaus signifikanten.
Das mit der Membran funktioniert sicher auch, allerdings kann man da eben gar nicht mehr einschätzen, wie viel Druck erzeugt wird und man muß zusätzlich messen. Wie ich dann die Membran regle, um den Druck konstant zu halten, ist mir auch nicht nicht klar.
Alles nicht so einfach...
Bekommt man aber über die Strömung nicht wieder eine Veränderung der effektiven Druckes? Ich denke da an Verwirbelungen etc. unter der Scheibe. Da muß ich mich aber mal informieren.
Ich hatte mir das eigentlich so gedacht, dass man die Zu- und Abströmung in einen seperaten Behälter macht, von diesem ausgehend, als Stichleitung, die Leitung zu Drucksensor und Scheibe. Damit dürfte in der Stichleitung keine Strömung herrschen, außer es gibt Undichtigkeiten und natürlich Ausgleichsströmungen bei Temperaturänderung.
Der seperate Behälter könnte klein sein, es könnte auch nur ein T-Stück in der Leitung sein um das Gesamtvolumen klein zu halten. Die Durchströmung kann ja auch gering sein, eben gerade so, dass man einen vernünftigen Regelkreis aufbauen kann. Als Minimalwert wird man den zusätzlichen Volumenstrom, der bei bei Temperaturänderung entsteht, ansetzen. Das kann man abschätzen, wenn man den Rauminhalt des zu regelnden Volumens und den maximalen Temperaturgradient abschätzen kann.
Den Meßkolben könnte man auch als eine Art "Taucherglocke" auf einer Sperrflüssigkeit schwimmen lassen. Außenherum Atmoshärendruck, das Innere der Glocke wird (Steigrohr von unten) mit dem zu regelnden Druck beaufschlagt. Gemessen wird das scheinbare Gewicht des Kolbens. Die Anordnung ist dicht und läßt sich auf einfach zu messende Größen zurückführen (Geometrien und Kräfte sind mit geringem Aufwand mit guter Genauigkeit meßbar).
Was mir bisher nicht klar geworden ist: wie wollt Ihr eigentlich die zu messende Platte an den Rändern abstützen und dichten ohne dass Kräfte (und resultierende Verformungen) auf sie übertragen werden?
Jetzt muß ich doch nochmal nachfragen, ob ich das richtig verstanden habe:
Alos, ich habe mein Luftvolumen unter der Glasscheibe und schließe da einen extra Schlauch (Stichleitung) an, das an einem T-Stück endet. Durch die beiden offenen Enden des T-Stücks lasse ich nun einen Luftstrom durchströmen - sprich am einen Ende eine Düse, am anderen ein Auslaßventil. Bleibt das Volumen (Druck, Temperatur) im Hauptbehälter gleich, tut sich in der Stichleitung gar nichts; tut sich was, wird der Unterschied über die Durchströmung angeglichen.
Fragen:
1. Wie genau kann ich das regeln? Wie würden solche Düse-Ventil-Kombinationen aussehen, die das können - hast Du da Erfahrungen, wo man sowas herbekommt?
2. Wie schnell werden dann so Druckunterschiede ausgeregelt? Ich vermute mal, das hängt von der Qualität des Auslaßventils ab - und das müßte man ja ziemlich genau auf den Sollwert von 13,3 Pa einstellen können. Mir ist noch nicht ganz klar, warum das Ventil einen großen Querschnitt haben muß?
Wie wir Platte abstützen und abdichten wollen (ohne Verspannung!), ist natürlich das nächste Problem. Nachdem der Druck aber recht gering ist, braucht es da keinen starken Kleber. Laut ersten Versuchen tut es eine Schicht Spüli auf'm Rand - aber wie sehr sich da alles verzieht, ist natürlich die andere Frage.
Alos, ich habe mein Luftvolumen unter der Glasscheibe und schließe da einen extra Schlauch (Stichleitung) an, das an einem T-Stück endet. Durch die beiden offenen Enden des T-Stücks lasse ich nun einen Luftstrom durchströmen - sprich am einen Ende eine Düse, am anderen ein Auslaßventil. Bleibt das Volumen (Druck, Temperatur) im Hauptbehälter gleich, tut sich in der Stichleitung gar nichts; tut sich was, wird der Unterschied über die Durchströmung angeglichen.
Ja das entspricht etwa meiner Vorstellung, wie man das bauen könnte. In der Stichleitung muß neben dem Behälter für das Meßobjekt noch ein Drucksensor angebracht sein. Die Stellung des Auslaßventils wird über den Drucksensor beeinflußt so dass sich ein geschlossener Regelkreis ergibt.
1. Wie genau kann ich das regeln? Wie würden solche Düse-Ventil-Kombinationen aussehen, die das können - hast Du da Erfahrungen, wo man sowas herbekommt?
Nachdem die Störgröße (Temperaturänderung) langsam auftritt und die dadurch bedingte Volumenänderung relativ gering ist zum (noch frei wählbaren) Volumendurchsatz über Zu-/Abstrom rechne ich mit einem guten Regelverhalten. Das hängt natürlich auch an der Auslegung des Reglers.
Von Hand einstellbare Druckluftdrosseln gibt es bei Pneumatikzubehör (z.B. FESTO), das wäre als Drossel für den Einlaß wahrscheinlich geeignet. Das Auslaßventil ist wohl problematischer, wegen dem geringen Druck. Vielleicht Eigenbau als Düse-Prallplatte? Das wäre zumindest mechanisch einfach, sehr feinfühlig und fast ohne Kraftrückwirkung. Vielleicht genügt es, die Prallplatte an eine Ringwaage zu bauen und fertig. Das mit dem großen Querschnitt war nur relativ gemeint, wegen des geringen Druckabfalls über dem Auslaßventil. Man wird den Luftdurchsatz aber nicht zu hoch machen wollen, dann wird es natürlich wieder klein.
2. Wie schnell werden dann so Druckunterschiede ausgeregelt? Ich vermute mal, das hängt von der Qualität des Auslaßventils ab - und das müßte man ja ziemlich genau auf den Sollwert von 13,3 Pa einstellen können. Mir ist noch nicht ganz klar, warum das Ventil einen großen Querschnitt haben muß?
Das hängt eigentlich von der Qualität des Gesamtsystems Regler und Regelstrecke ab. Ich könnte mir vorstellen, daß man das mit guter Qualität hinbekommt. Das mit der genauen Einstellung auf den Sollwert ist natürlich auch eine Frage der absoluten Meßgenauigkeit. Da könnte es sinnvoll sein, noch ein zusätzliches, absolut genaues Meßinstrument zu installieren. Aufgabe des Bedieners wäre es dann, die Führungsgröße am Regler solange zu verstellen, bis die Anzeige des zusätzlichen Instruments bei 13,3 Pa ist. Ich frage mich aber, ob es nicht klüger ist, den zu vermessenden Reflektor zu beobachten. Er sollte bei 13.3 Pa ja schwerelos werden und anfangen, langsam durchs Labor zu driften. ;-)
Hmmmm.... das mit der Prallplatte als Auslaßventil fängt an, mir zu gefallen. Man könnte eine Ringwaage benutzen, um den Auslaß zu regeln, und zwar indem man die Platte quasi als Gegengewicht an die Ringwaage anschließt und den Meßanschluß mit dem fraglichen Luftvolumen verbindet. Steigt nun der Druck, zieht es das Gewicht (=die Platte) nach oben und es kann mehr Luft ausströmen - damit sinkt der Druck und die Platte macht wieder entsprechend dicht.
Das im Eigenbau mit der gewollten Genauigkeit hinzubekommen, halte ich dennoch für sehr anspruchsvoll - aber vielleicht nicht unmöglich. Da müßte ich mir aber schon genau überlegen, wie ich die Platte und die Verbindung zur Ringwaage konstruiere.
Ich frage mich aber, ob es nicht klüger ist, den zu vermessenden Reflektor zu beobachten. Er sollte bei 13.3 Pa ja schwerelos werden und anfangen, langsam durchs Labor zu driften.
;-)
Da müßte ich mir aber schon genau überlegen, wie ich die Platte und die Verbindung zur Ringwaage konstruiere.
Überlegen ist gut, das ganze schnell einstellbar machen ist besser. Wenn man die Platte recht lang macht, radial um den Drehpunkt der Ringwaage schwingend und die Düse längs dieses Radius verschiebbar anordnet, kann man schnell die Regelverstärkung einstellen. Die Sollwerteinstellung könnte mir einer Art Laufgewicht auf dem selben Hebel gemacht werden. Zitterfrei beim laufenden Betrieb einstellbar wäre allerdings eine Feder mit einstellbarer Vorspannung, das Laufgewicht nur zur Grobeinstellung.
Wow, Du hast echt gute Ideen!
Das könnte wirklich klappen. Auch der Aufwand an Material hält sich da in Grenzen. Nur verfälscht man natürlich die Ringwaage, wenn man da die Platte dranhängt... das Ding muß man also auch erstmal kalibrieren. Aber ich würde sowieso noch einen externen Druckmesser anschließen (haben wir schon), wie Du ja selbst schon vorgeschlagen hast. Dann müßte das auch machbar sein.
Dann werd ich mal sehen, was für Material ich da brauche und wo man das Zeug herbekommt...
Hast Du ein Gefühl dafür, in welcher Größenordnung sich die Einlaßströmung befinden sollte?
Hast Du ein Gefühl dafür, in welcher Größenordnung sich die Einlaßströmung befinden sollte?
Ehrlich gesagt, überhaupt nicht, der Druck ist ja auch so ungewöhnlich niedrig. Ich würde das pragmatisch angehen, in einem Vorversuch eine Anordnung von Düse und Prallplatte herstellen und den Durchfluß bei den geforderten 13Pa als Funktion des Prallplattenabstands feststellen. Das gibt dann irgend eine recht krumme Funktion, deren Mitte man als halbwegs linear annimmt. Das wäre dann der Sollwert für den Durchfluß.
Als Düsendurchmesser nimmt man eben etwas, was noch angenehm zu fertigen geht, ich hätte vielleicht mal im Bereich um 1mm probiert. Wenn man sie schraubbar konstruiert ist so eine Düse ist ja auch schnell mal gegen eine größere oder kleinere ausgetauscht.
Ja, das mit dem niedrigen Druck macht mir eben auch ein bißchen Sorgen. Aber experimentell sollte man der Sache schon näherkommen können. Ich bin mir noch nicht so sicher, ob ich verstanden habe, wie Du das mit dem Vorversuch meinst: den Durchfluß als Funktion des Plattenabstandes?
Ich habe inzwischen im Handel auch Ringwaagen mit eingebautem Regler gefunden (z.B. http://www.rixen-gmbh.de/deutsch/ringwaage-rixotact-s.htm). Das wäre doch was feines: da können wir die Regelungsspannung (oder -strom) einfach benutzen, um ein Ventil direkt zu kontrollieren. Da bräuchte man eben eines, das auf die Art regelbar ist. Dann spare ich mir nämlich die Bastelei mit Prallplatte und Feder etc., was vermutlich für derart kleine Drücke extrem schwierig ist.
Andere, ganz dumme Frage, die mir noch gekommen ist: was ist denn mit dem Prinzip "Zerstäuber" - daß ein vorbeifließender Luftstrom einen Unterdruck erzeugt? Das müßte ja dann auch hier der Fall sein?
- Andererseits sollte ich das ja auch mit dem Ventil regeln können, bis die Sache stabil ist. Hmm, mal sehen...
Ich bin mir noch nicht so sicher, ob ich verstanden habe, wie Du das mit dem Vorversuch meinst: den Durchfluß als Funktion des Plattenabstandes?
Ja das hatte ich so gemeint. Im speziellen auch den Durchfluß ganz ohne Prallplatte als maximal möglicher Durchfluß bei einer gegebenen Düsengeometrie. Man kann natürlich auch von Hand rechnen, abhängig von der Düsengeometrie, oder eine Strömungssimulation anwerfen. Je nachdem was gerade praktisch erscheint.
Ich habe inzwischen im Handel auch Ringwaagen mit eingebautem Regler gefunden
Ja, die Firma ist beim Wikipediaartikel über Ringwaagen verlinkt, so hatte ich die auch gefunden. Das mit dem internen Regler ist dann wieder so eine Sache. Man braucht ja auch das passende Ventil dazu. Vorteil wäre die schnelle Einstellbarkeit der Regelparameter und die Funktionalität eines PID-Reglers. Ob man das aber wirklich braucht? Die Regelstrecke sollte ja selbst integrierend wirken und sprunghafte Störgrößen wären nicht zu erwarten - dann sollte ein einfacher P-Regler doch genau das richtige sein.
Das wäre dann das Düse-Prallplatte System. Es ist halt unschlagbar einfach und mit einfachen Werkstattmitteln zu bauen.
Ich hätte ja auch die Ringwaage selbst gemacht, bei Druckmessung gegen Atmosphäre reicht doch ein simpler Topf, umgekehrt als Schwimmer auf einem Ölbad, an einem Hebel geführt.
Aber das mit dem Selbermachen ist wohl eine Geschmacksfrage.
...daß ein vorbeifließender Luftstrom einen Unterdruck erzeugt?
Du meinst, dass sich duch die Strömung im T-Stück ein zusätzlicher Unterdruck in der Stichleitung ergibt? Ja das wird so sein, deshalb haben wir die Ringwaage und den Behälter für den Reflektor auch beide in die Stichleitung getan, in der Stichleitung selbst strömt ja praktisch nichts, deshalb haben die beiden auch genau den selben Druck. Den Rest sollte der Regler machen.
Tja, es ist halt immer der Zwiespalt: wieviel "High-Tech" braucht man wirklich, was ist unnütz, was ist doch notwendig? Tatsache ist in dem Fall: je genauer, desto besser. Du hast aber natürlich recht, daß die Regelung in dem Fall so simpel und direkt funtioniert, daß das ganze Drum-Rum der Regler-Ringwaage wohl gar nicht gebraucht wird. Und, wie gesagt, was man da für ein Ventil dafür bräuchte, ist mir auch noch nicht ganz klar.
Aber selbst die Ringwaage selber bauen ist ja schon mutig! Ich würde da jetzt gefühlsmäßig sagen, das klappt nicht mit der Genauigkeit. Andererseits will ich das Ding ja nicht zum Messen nutzen, sondern nur zum Regeln... also könnte es vielleicht doch gehen...
Wir versuchen momentan übrigens, die Sache erstmal in einem abgeschlossenen, isolierten Behälter durchzuführen, in dem man die Temperatur so gut wie möglich konstant halten kann. Mit einem entsprechend kleinen Volumen reicht das womöglich schon.
(Sprich: die Chefs wollen das ganze am liebsten völlig ohne Regelung... hach...)
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