AT394451B - Verfahren und vorrichtung zur dynamischen kalibrierung von druckmessketten - Google Patents

Description

AT 394 451 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Druckmeßketten mit einem piezoelektrischen Druckwandler, einem Ausgangsverstärker und einem Analog-Digital-Umsetzer.

Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Schaltgewichtstester zur Bestimmung und Aufrechterhaltung des Gasdruckes. 5 Druckmeßketten mit einem Druckwandler, einem Ausgangsverstärker und einem Analog-Digital-Umsetzer müssen nicht nur vor der Verwendung, sondern auch von Zeit zu Zeit während ihrer Verwendung kalibriert werden, damit genaue Messungen erzielbar sind.

Bisher werden zwei verschiedene Arten Kalibrierverfahren angewendet:

Die erste Art besteht in der Durchführung einer statischen Kalibrierung der gesamten Meßkette, wobei eine 10 Schaltgewichtswaage verwendet wird und der Schalter für die Zeitkonstante des Verstärkers in die Stellung "lang" gestellt ist. Der Druck in der Waage wird mehrere Male vom atmosphärischen auf den höchsten bei der Messung auftretenden Druck erhöht. Der Spannungssprung am Ausgang des Verstärkers wird vermerkt und zur Kalibrierung der Meßkette verwendet

Solch ein statisches Verfahren hat mehrere Nachteile. In der Stellung "lang" des Schalters für die Zeit-15 konstante ist die Meßkette sehr empfindlich gegen Nullpunktdrift, was meist durch Schmutz oder Feuchtigkeit am Eingang der Meßkette verursacht wird. Eine Beseitigung dieser Drift ist sehr schwierig, sodaß eine genaue Kalibrierung unmöglich ist Weiters ist die Reproduzierbarkeit schlecht und können die Unterschiede zwischen den Messungen bis 5 % betragen, ein Wert, der zur Erzielung genauer Messungen nicht akzeptabel ist. Weiters kann der Durchschnittswert der statisch erfaßten Empfindlichkeit (V/bar) 3 bis 5 % geringer sein als der Durch-20 schnitts wert der dynamischen Empfindlichkeit; dieser Unterschied ist auf elektrische Effekte zuriickzuführen.

Die zweite Art der Kalibrierverfahren ist ein dynamisches Verfahren, das jedoch auf die Kalibrierung des Verstärkers beschränkt ist. Ein Kalibrierkreis versorgt den Verstärker mit einer Rechteckwelle mit wählbarer Amplitude und akzeptabler Genauigkeit (± 1 %). Dieses Verfahren liefert einen angenäherten Wert des dynamischen Verstärkungsfaktors bloß des Verstärkers, ermöglicht aber nicht die Kalibrierung der gesamten Meßkette. 25 Daher besteht ein Bedürfnis nach einem dynamischen Kalibrierverfahren für die gesamte Meßkette sowie einer

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur genauen Kalibrierung der gesamten Meßkette und weiters eine Kalibriervorrichtung zu schaffen, welche sich durch außergewöhnliche Reproduzierbarkeit und hohe Empfindlichkeit auszeichnet. 30 Diese Aufgabe wird einerseits mit einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß ein inertes Gas einem Druck, der über dem Kalibrierungsdruck liegt, ausgesetzt wird, daß dieser Druck gemessen wird, daß mit dem unter Druck stehenden Gas eine Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, unter Druck gesetzt wird und daß der Druckwandler abwechselnd mit dem Flüssigkeitsdruck und dem Atmosphärendruck beaufschlagt und entsprechend dem gemessenen Druck kalibriert wird. 35 Anderseits wird die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine Quelle unter vorbestimmtem Druck stehenden Inertgases, die einerseits an den Schaltgewichtstester und anderseits an einen geschlossenen Flüssigkeitsbehälter angeschlossen ist, der teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt ist, in die ein Rohr eintaucht, an das eine Kalibriervorrichtung angeschlossen ist, die aus einem Stator und einem mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Rotor besteht, wobei im 40 Stator zwei einander radial gegenüberliegende Bohrungen ausgebildet sind, von denen die eine mit dem Rohr des Flüssigkeitsbehälters und die andere mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei im Rotor eine an den Druckwandler anschließbare axiale Bohrung und ein an diese anschließender, im Bereich der Bohrungen ausmündender Radialkanal ausgebildet sind.

In vorteilhafter Weiterbildung dieser Vorrichtung kann sich der Radialkanal von der axialen Bohrung zur Man-45 telfläche des Rotors in einer Radialebene erweitern.

Weiters kann der Stator beiderseits von je einem Flansch abgeschlossen sein, von denen einer als Halterung für den Druckwandler ausgebildet ist.

Der durch Ventile gesteuerte Gasdruck wird auf einen Wert gebracht, der etwas höher ist als der Kalibrierungsdruck. Mit Hilfe des Schaltgewichtstesters kann der gewählte Druck genau gemessen werden, wobei der 50 durchschnittliche Fehler 0,1 % nicht übersteigt.

Der Gasdruck herrscht auch im geschlossenen Flüssigkeitsbehälter, der üblicherweise Öl enthält und mit einem Rohr versehen ist, das in das Öl eintaucht und mit der Kalibriervorrichtung verbunden ist. Das Öl ist daher mit dem Gasdruck beaufschlagt, und der Ölhochdruck wird durch das Rohr zur Kalibriervorrichtung geleitet, u. zw. zum Hochdruckeinlaß im Stator und sodann zum piezoelektrischen Druckwandler. Nunmehr kann der 55 genau kalibrierte Druckwandler mit dem Verstärker und dem Analog-Digital-Umsetzer dazu verwendet werden, den Kalibrierungsdruck zu ermitteln, der beispielsweise in einer Brennkraftmaschine auftritL

In der Folge wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles der Vorrichtung näher erläutert, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist; es zeigen Fig. 1 eine Darstellung der gesamten Vorrichtung und Fig. 2 einen Schnitt durch die Kalibriervorrichtung, in größerem Maßstab. 60 Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dient eine Stickstoffflasche als Quelle (1) unter Druck stehenden Inertgases, die durch ein Rohr (2) mit einem Schaltgewichtstester (3) und einem kleineren, Öl enthaltenden, geschlossenen Flüssigkeitsbehälter (4) verbunden ist. -2-

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Das Rohr (2) ist mit einem Hauptdruckregler (5), einem Druckausgleichsnadelventil (6) und einem Ventil (7) versehen. Der Flüssigkeitsbehälter (4) ist mit Überdruckventilen (8) ausgestattet.

In das in dem Flüssigkeitsbehälter (4) enthaltene Öl taucht ein Rohr (9) ein. Das Öl wird durch das Inertgas unter Druck gesetzt, und der Öldruck wird durch das Rohr (9) zu einer Kalibriervonichtung (10) übertragen, die 5 nachstehend beschrieben ist.

Der an sich bekannte Schaltgewichtstester (3) besteht aus einem Ölbehälter (11) und einer Pumpe (12). Er weist einen mit kalibrierten Gewichten (14) versehenen Kolben (13) auf, der einen Hub von etwa 20 mm besitzt Die Kalibrierung erfolgt mit frei schwebenden Gewichten (14).

Der Druck in der Vorrichtung wird mit einem Meßinstrument (15) erfaßt 10 Fig. 2 zeigt in größerem Maßstab einen Querschnitt durch die Kalibriervorrichtung (10). Die wesentlichen Bestandteile der Kalibriervorrichtung (10) sind ein Rotor (16), ein Stator (18) und zwei Flanschen (17) und (19) , von denen der eine Flansch (19) als Halterung für einen Druckwandler (20) dient

Der Rotor (16) ist in einer Bohrung des Flansches (17) drehbar gelagert. Der Stator (18) ist rohrförmig gestaltet und zwischen den beiden Flanschen (17) und (19) montiert, so daß er den Rotor teilweise (16) um-15 gibt Der Druckwandler (20) ist koaxial zur Rotorachse montiert.

Der Stator (18) weist zwei mit Gewinde versehene radiale Bohrungen (21) und (22) auf, von denen die eine mit dem Kalibrierungs- bzw. Flüssigkeitsdruck und die andere mit dem Atmosphärendruck beaufschlagt ist, wobei gleichgültig ist, welche der Bohrungen (21, 22) mit welchem Druck beaufschlagt ist. Es sind NPT- (National Pipe Thread-) Gewinde vorgesehen, die gegen Hochdruck eine perfekte Abdichtung und Festigkeit gewähr-20 leisten. Die Wandstärke des Rotors (18) ist ausreichend groß, um die Ausbildung der Bohrungen mit Gewinde zu ermöglichen. Das Material des Stators (18) hat selbstschmierende Eigenschaften.

Derjenige Teil des Rotors (16), der von den Flanschen (17) und (19) sowie dem Stator (18) eingeschlossen ist, weist einen Durchgang auf, der von einer axialen Bohrung (23), die an der dem Druckwandler (20) zugekehrten Stirnseite des Rotors (16) mündet, und einem an die axiale Bohrung (23) anschließenden Radial-25 kanal (24) gebildet ist, der im Bereich der radialen Bohrungen (21,22) ausmündet.

Dreht sich der Rotor (16), so wirkt er als Dreiwegeventil, wobei die radialen Bohrungen (21,22) nacheinander durch den Radialkanal (24) und die axiale Bohrung (23) mit dem Druckwandler (20) verbunden werden. Demnach wird im Betrieb der Vorrichtung der Druckwandler (20) abwechselnd mit dem genau gemessenen Kalibrierungs- bzw. Flüssigkeitsdruck und dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Um die Beaufschlagungszeit des 30 Druckwandlers (20) zu verlängern, ist der Radialkanal (24) von der axialen Bohrung (23) zur Mantelfläche des Rotors (16) in einer Radialebene erweitert, allerdings unter einem Winkel von weniger als 180°, um einen Kurzschluß zwischen den beiden Bohrungen (21,22) zu vermeiden.

Der Spalt zwischen Rotor (16) und Stator (18) ist so klein wie möglich, um Öldurchtritt und folglich Druckabfall zu verhindern. Das Axialspiel des Rotors (16) ist begrenzt, um Hin- und Herbewegungen und eine 35 Pumpwirkung des Rotors (16) zu vermeiden. Der Rotor (16) wird durch einen (nicht dargestellten) Motor mit veränderliches· Drehzahl angetrieben.

Die Rotorachse erstreckt sich durch den Flansch (17) und ist mittels zweier O-Ringe (25) abgedichtet, die in der Mantelwand der Bohrung im Flansch (17) sitzen. Die Abdichtung zwischen dem Flansch (17) und dem Stator (18) erfolgt in oster Linie durch genaue Bearbeitung der Innenseite des Flansches (17) und in zweiter 40 Linie mittels einer Runddichtung (26), die zwischen Flansch (17) und Stator (18) eingesetzt ist

Der gegenüberliegende Flansch (19) dient als Halterung für den piezoelektrischen Druckwandler (20) und ist je nach dem verwendeten Wandler ausgebildet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Flansch (19) zur Halterung eines AVL-Wandlers Type 8 OP 500 CA der Fa. AVL-Austria ausgestaltet. Der Druckwandler (20) ist zwischen einem Einsatz (27) und einer Dichtung (28) im Flansch (19) montiert und mittels einer 45 Schraube (29) in seiner Lage gehalten. Die Abdichtung zwischen dem Flansch (19) und dem Stator (18) sowie die Zentrierung zwischen diesen beiden Bauteilen erfolgen in derselben Weise wie beim ersterwähnten Flansch (17).

Nach Fig. 1 ist zur Reinigung der Kalibrierungsvorrichtung (10) eine Ablaßschraube (30) vorgesehen. Das bei der Reinigung anfallende Öl, aber auch allfällig an Leckstellen austretendes Öl wird in einem Kanister (31) 50 aufgefangen.

Der piezoelektrische Druckwandler (20) dient dazu, mit großer Genauigkeit den Druck zu ermitteln, der z. B. im Zylinder einer Brennkraftmaschine herrscht. Die Meßkette aus piezoelektrischem Druckwandler (20), Ausgangsverstärker und Analog-Digital-Umsetzer zur Wiedergabe der dem erfaßten Druckwert entsprechenden Digitalanzeige muß mit hoher Genauigkeit kalibriert werden.

55 Zu diesem Zweck wird der Druckwandler (20) in den als Halterung ausgebildeten Flansch (19) der Kalibriervorrichtung (10) eingeschraubL

Sodann wird die als Inertgas-Quelle (1) dienende Stickstoffflasche geöffnet und der Stickstoffdruck mit Hilfe des Druckreglers (5) auf einen Wert gebracht, der etwas höher ist als der Kalibrierungsdruck. Die Ventile (6) und (7) zwischen der Quelle (1) und dem Flüssigkeitsbehälter (4) werden geöffnet, um den Gasdruck in der gesam-60 ten Vorrichtung zu erhöhen. Dieser Druck kann am Meßinstrument (15) abgelesen werden. Sodann werden die Ventile (6) und (7) geschlossen, sobald sich die Gewichte (14) des Schaltgewichtstesters (3) nach oben bewegen. Nun wird der Motor zum Antrieb des Rotors (16) in Betrieb gesetzt und die Drehzahl des Rotors (16) auf -3-

Claims (4)

1. AT 394 451 B den erwünschten Wert gebracht Die Gewichte (14) werden durch manuelle Steuerung im Schwebezustand gehalten. Der korrekte Druck wird so lange auftechterhalten, so lange der Kolben (13) frei schwimmt und die Gewichte (14) schweben. Im Falle einer unkorrekten Kalibrierung befindet sich der Kolben (13) so weit unten, daß er auf einer Lagerbüchse aufsitzt, oder so weit oben, daß sein Innenanschlag an der Unterseite der Lagerbüchse anschlägt. Eine weitere Druckfeinregulierung kann mittels der Pumpe (12) oder durch Abblasen des Überdruckes durch das Überdruckventil (8) durchgefuhit werden. Jedweder Druckverlust während der Kalibrierung kann durch Einregelung des Nadelventiles (6) kompensiert werden. Der Schaltgewichtstester (3) mißt den Druck mit hoher Genauigkeit, wobei der durchschnittliche Fehler bei etwa 0,1 % oder weniger liegt Derselbe Druck harscht auch in dem Öl enthaltenden Flüssigkeitsbehälter (4). Weder das Volumen des Flüs-sigkeitskeitsbehälters (4) noch die darin enthaltene Ölmenge ist kritisch. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn eine 101-Flasche verwendet wird, die etwa 31 öl enthält Das Öl wird durch das Inertgas unter Druck gesetzt und der Öldruck wird durch das Rohr (9) zur Bohrung (21) des Stators (18) übertragen (die Bohrung (22) ist mit der freien Atmosphäre verbunden). Da Druckwandler (20) wird durch die axiale Bohrung (23) sowie den Radialkanal (24) des rotierenden Rotors (16) abwechselnd mit dem Öldruck und dem Atmosphärendruck beaufschlagt. Auf Grund der schlechten Kompressibilität des Öles und der geringen Ölmoige im Rotor (16) geht nach einem Druckzyklus eine gewisse Menge Öl verloren, wenn die mit der Atmosphäre verbundene Bohrung (22) des Stators (18) verlassen wird. Dieser geringe Sickerfluß verhindert die direkte Verbindung des Schaltgewichtstesters (3) mit der Kalibrierungsvonichtung (10). Durch diesen Sickerfluß würde nämlich der die Gewichte (14) tragende Kolben (13) auf die Lagerbüchse fallen und ab diesem Zeitpunkt da Öldruck nicht länger korrekt sein. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diesa Nachteil vahindert, da der obere Teil des Flüssigkeitsbehälters (4) Inertgas enthält, das eine wesentlich größere Kompressibilität als Öl besitzt und daher als Puffer fungiert. Nach der Drehung des Rotors (16) expandiert das Inertgas, wobei sein Druck abnimmt, der Druckabfall jedoch 0,1 % nicht überschreitet, mit anderen Worten um einoi Prozentanteil, welche der Genauigkeit des Schaltgewichtstesters (3) entspricht. Durch den Inertgaspuffer wird noch ein zweita Vorteil erzielt; er dämpft nämlich die im Öl durch den diskontinuierlichen Fluß in der gesamten Vorrichtung verursachten Schwingungen. Ohne Inotgas würden diese Schwingungen in diskontinuierlicher Weise an den Schaltgewichtstester (3) übertragen und Beschleunigungen bzw. Verzögerungen der Gewichte (14) bewirken. In diesem Falle wäre der Öldruck nicht mehr konstant, sondern würde auf Grund der Trägheit der Gewichte (14) eine Komponente enthalten. Nach der Kalibrierung wird der Druckwandler (20) vom zugehörigen Flansch (19) abmontiert und zur weiteren Verwendung verwahrt. Die erfindungsgemäße hydro-pneumatische Vorrichtung beaufschlagt den piezolektrischen Druckwandler (20) mit einer Rechteck-Druckwelle kontrollierbarer Frequenz, die zwischen dem hohen Kalibrierungsdruck und Atmosphärendruck mit einer Genauigkeit von 0,1 % schwankt Die Vorrichtung ermöglicht, die aus Druckwandler, Ausgangsverstärker und Analog-Digital-Umsetzer bestehende Meßkette zu kalibrieren und somit den Betrag der Digitalzahl unter realen Arbeitsbedingungen entsprechend jedem dynamischen Druckwechsel in dem zu messenden System zu bestimmen. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Druckmeßketten mit einem piezoelektrischen Druckwandler, einem Ausgangsverstärker und einem Analog-Digital-Umsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes Gas einem Druck, der über dem Kalibrierungsdruck liegt, ausgesetzt wird, daß dieser Druck gemessen wird, daß mit dem unter Druck stehenden Gas eine Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, unter Druck gesetzt wird und daß der Druckwandler abwechselnd mit dem Flüssigkeitsdruck und dem Atmosphärendruck beaufschlagt und entsprechend dem gemessenen Druck kalibriert wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Schaltgewichtstester zur Bestimmung und Aufrechterhaltung des Gasdruckes, gekennzeichnet durch eine Quelle (1) unter vorbestimmtem Druck stehenden Inertgases, die einerseits an den Schaltgewichtstester (3) und anderseits an einen geschlossenen Flüssigkeitsbehälter (4) angeschlossen ist, der teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt ist, in die ein Rohr (9) eintaucht, an das eine Kalibriervorrichtung (10) angeschlossen ist, die aus einem Stator (18) und einem mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Rotor (16) besteht, wobei im Stator (18) zwei einander radial gegenüberliegende Bohrungen (21,22) ausgebildet sind, von denen die eine mit dem Rohr (9) des Flüssigkeitsbehälters (4) und die andere mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei im Rotor (16) eine an den Druckwandler (27) anschließbare axiale Bohrung (23) und ein an diese anschließender, im Bereich der Bohrungen (21, 22) ausmündender Radialkanal (24) ausgebildet sind. -4- AT 394 451 B
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Radialkanal (24) von der axialen Bohrung (23) zur Mantelfläche des Rotors (16) in einer Radialebene erweitert.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (18) beiderseits von je S einem Flansch (17,19) abgeschlossen ist, von denen einer als Halterung für den Druckwandler (27) ausgebildet ist. 10 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-