CN103776488A - 位置确定设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备，用于确定设置于蓄能器中作为气体空间及流体空间之间的分隔器的可移动分隔元件的位置，其中，该确定设备包括使得其可确定分隔元件位置的至少一个用于检测压力数据的压力传感器、至少一个用于检测超声波数据的超声波传感器，以及至少一个用于评估所述数据的计算单元。

Description

位置确定设备
技术领域
本发明涉及一种设备及方法，用于确定可移动分隔元件的位置，特别是设置于蓄能器中，尤其是圆筒状的蓄能器中，作为气体空间和流体空间之间的分隔器的活塞的位置。
背景技术
蓄能器，尤其是活塞蓄能器中，薄膜蓄能器以及气囊蓄能器被用于液压系统中，例如，应用于挖掘机或其他物体中，用于蓄存液压能。在这方面，蓄能器可被设置为其流体侧和气体侧都具有盖子的圆筒状管体。分隔元件把流体，尤其是液压液体，例如油，和气体，如氮气，分隔开。
如果流体被压向蓄能器中的气体，分割元件产生位移以使气体被压缩。气体因此吸收了能量。充满一个蓄能器通常需要大致3至5秒钟的时间。在此之后的一个时间点，蓄存的能量可通过体积提取而重新获得。
就此而论，重新获得的能量的大小取决于效率以及所出现的损失。由于受限于所产生的高压力，蓄能器的壁不可能被设置为足够地隔热，因此状态转换不会在整个时间段内都在绝热的情况下执行，因此会有损失的产生。此外，在该过程中也会出现气体损失。
在操作过程中，气体空间中的压力与流体空间中的压力相匹配，因此分隔元件位于蓄能器中合适的位置上。分隔元件的摩擦可能会导致气体空间及流体空间之间的压力差。
在以下内容中，任何充满了气体的体积可被理解为气体空间。气体空间因此包括蓄能器中充满了气体的区域、连接至该蓄能器的一个或多个气体容器，以及包括了气体连接体机构在内的其他任何充满了气体的连接线路，其中，连接线路在以下指气体线路。可通过另外连接的气体容器直接并有效地增大蓄存体积。
为了确保操作安全，有必要时不时地控制气体空间中的压力。因此，例如，必须基于蓄能器的操作类型预计一定的气体损失。此外，气体空间中的压力也不允许低于一定的下限值以维持系统的功能。
此外，还必须实现连续控制以确定蓄能器是否能够传送最低要求量的能量。如果有多个蓄能器并行切换，则必须确保任何一个蓄能器的压力不低于最低的压力值。此外，出错的蓄能器必须能够被识别。
通过测量气体的温度而确定气体空间中的压力是已知的技术。然而，受限于气体分布的不均匀性，精确的温度测量是很难实现的。基于上述的借助气体规律来确定分隔元件的位置因此是不可行的或存在具有较大误差的缺陷。
进一步地，通过借助传感器来确定分隔元件的位置亦是已知的技术。在这种方式中，例如，可利用线缆操作测量系统。然而，这种测量技术受分隔元件的最大速度的限制并且不适合于负载变化较大以及负载变化次数较多的情况。
可选地，分隔元件的位置还可借助连接至分隔元件的连接杆的来测量，其中，该连接杆被引导至蓄能器之外。然而，外引导设置的连接杆上需要额外的密封处理。并且，空间上相应的额外需求也是不利的。
磁设备亦是已知的可连接至分隔元件并可通过蓄能器的壳体将信息传递至外界的技术。这样的系统设计复杂并因此而易于带来麻烦。
更进一步地，采用超声波传感器来确定分隔元件的位置亦是已知的技术。然而，如果有气泡形成的情况产生，例如是由于液体的快速膨胀而引起的，或是有分布的不均匀的情况产生，例如是由于气温的骤升骤降而引起的，则声音的传播会被声音信号的散射及偏转所干扰，导致超声波数据失真。
发明内容
本发明的一个目的是实现在结构紧凑的方式下精确确定分隔元件的位置。
实现本发明上述目的的设备具有权利要求1所述的特征。
本发明的确定设备包括使其可确定分隔元件位置的至少一个用于检测压力数据的压力传感器、至少一个用于检测超声波数据的超声波传感器，以及至少一个用于评估上述数据的计算单元。
确定设备包括至少一个用于检测温度数据的温度传感器。因此，确定设备中还具有另一个传感器可用。该额外的温度数据可传送至计算单元以实现确定可能出现的气体损失。
为了，尤其是为了确定气体量并识别气体损失，必须确定压力、体积以及温度。体积可通过分隔元件的冲程来确定。除了由于摩擦所引起的差别之外，气体空间中的压力与，尤其与流体空间中的压力是相对应的。平均起来，气体空间中的温度与，尤其与流体空间中的温度是相对应的。
当蓄能器中的气体的量较少时，通过提高温度的方式可达到同样的压力。通过对压力及冲程的唯一测量是不足以确定气体的量的。例如，如果蓄能器中气体量较小时，相对于蓄能器中气体量较大的情况，压力会随着气体的排放而下降得更快。第一种情况下所蓄存的能量尤其要小于第二种情况下所蓄存的能量。
可通过温度测量来精确确定气体的量。因此，亦可通过计算判断蓄存的能量是否足够实现预定功能。
例如，如果蓄能器中仅有少量能量可用，则电机必须相应地供应更多的能量。这样会导致移动进程减慢。
状态可通过压力、活塞位置以及温度的测量进行完全的检测。
基于可能设置于一个计算单元中的多个独立的传感器检测数据的事实，精确确定分隔元件的位置是有可能实现的。这些系统共同相互补充。因此，例如可利用超声波数据来稳定借助压力数据确定分隔元件位置的过程。可选地，可利用压力数据来改善借助超声波数据确定分隔元件位置的过程。在这种方式中，即使出现了气体的不均匀，气体损失，或流体中有气泡形成，实现精确确定分隔元件的位置依然是可以实现的。
在这方面，尤其地，气体损失可通过温度传感器来确定。
对压力、活塞位置以及温度的结合测量亦可实现精确确定蓄能器中的气体量。
本发明的有利的实施例进一步描述于附属权利要求、说明书及附图中。
根据本发明的一个实施例，至少一个温度传感器以导热方式耦合至流体。在这方面，该温度传感器自身可设置于液体中。可选地或另外地，至少一个温度传感器以导热方式耦合至气体。该温度传感器还可，例如，设置于气体空间中，也即是，可设置于蓄能器中一个充满了气体的区域中，或是设置于气体容器或是气体线路中。可选地或另外地，至少一个温度传感器以导热方式耦合至环境空气。该温度传感器因此，尤其设置于该蓄能器之外并测量设备之外的环境温度。尤其地，通过这些设置于不同位置的温度传感器的组合，多个数据可被检测得到，这些数据与压力数据及超声波数据一起以可实现精确确定分隔元件的位置。
根据本发明的另一实施例，该压力传感器检测该流体空间中的压力。该压力传感器因此直接或间接地连接至该流体空间，例如通过一个管子。可选地或另外地，亦可利用压力传感器检测气体空间中的压力。
超声波传感器可以，例如，向流体空间中辐射超声波信号。基于此目的，超声波传感器可直接或间接连接至流体空间。可选地或另外地，亦可利用超声波传感器向气体空间中辐射超声波信号。
根据本发明的另一实施例，该计算单元，该压力传感器及该超声波传感器组合起来形成一个共同的单元。该单元可进一步将温度传感器涵盖于其中。这些元件因此可集中设置于一个壳体中或可选地整合成一个元件组。当然，该计算单元、该压力传感器、该超声波传感器以及可能的温度传感器亦可被设置为分立的构件。在这种方式中，数据通过数据线路传送至该计算单元。可选地，无线数据传输，例如，通过无线电进行数据传输亦是可行的。
根据本发明的另一实施例，一个用于蓄热的装置，尤其是一个固体，设置于该气体空间中。该装置可以，例如，是金属或金属合金，例如钢和/或铁。尤其地，该装置可包括金属纤维，导线结，金属片和/或金属薄板。优选地，该装置由波浪状金属片形成并呈圆柱体。可选地，金属片可以是波浪状的，从而使得相邻的波浪状金属片可以，优选地，相互错位以形成空的空间。厚度不同且具有按压把手以作为间隔件的金属圆盘片也是可行的，尤其是在要求高热容/每单位体积和/或要求安装位置单独匹配的区域。该装置使得该气体空间增加了额外的热容量。在施加流体压力之后，气体被压缩，其状态以几乎绝热的方式转换，因此，气体的温度上升。在没有用于蓄热的装置的情况下，气体起初压力较大，但是经过一个短时间段，大约为1秒钟之后，气体便在蓄能器中冷却了，因此损失了能量。与之相反，气体几乎是在瞬间被用于蓄热的装置所冷却，因此，在压缩的过程中，气体空间中的压力已经下降了。
将氮气与钢的热容相比可知，例如，在温度为100℃且压力处于100-200巴的情况下，额外体积的0.5%的钢足以使气体空间中的温度增加减半。基于此原因，蓄能器可吸收更多的能量，其蓄存容量因此相应增加。同样的现象在气体膨胀时以相反的方式亦可成立。
由于该用于蓄热的装置，气体压力因此快速实现了气体状态的等温转换，其状态的转换技术是绝热的。气体压力因此快速使得气体的状态在隔热的状态下转换。这种状态转换因此是可获知的，从而使得采用压力测量的方式可更加精确地确定分隔元件的位置。
根据本发明的另一个实施例，一个用于蓄热的装置，尤其是一个固体，设置于分隔元件中和/或气体蓄能器与气体容器之间的气体线路中和/或气体容器中。
上述气体线路包括，尤其还包括一个气体连接器，例如，于实际的气体线路与气体蓄能器和/或气体容器之间的连接点。
该装置可以，例如，是金属或金属合金，例如钢和/或铁。尤其地，该装置可以包括金属纤维，导线结，金属片和/或金属薄板。优选地，该装置设置为呈波浪状金属片圆柱体。可选地，金属片可以是波浪状的，从而使得相邻的波浪状金属片可以，优选地，相互错位排列以形成空的空间。厚度不同的具有按压把手以作为间隔件的金属圆盘片亦是可行的，尤其是在要求高热容/每单位体积和/或要求安装位置单独匹配的区域中。
因此，不受分隔元件冲程影响的总的气体空间可被设置为具有用于蓄热的装置。
分隔元件自身亦可蓄热。蓄热器可跟随分隔元件的移动而移动，无需改变其自身的结构。该蓄热器因此不被压缩也不被膨胀。这样的结构因此既简单又稳定。
热量可能已经通过蓄热器而被气体线路中的气体所吸收，该气体线路中的气体正由气体空间流向气体容器。
该分隔元件中和/或气体线路中的蓄热器增加了蓄存容量。进一步地，气体的冷却也加速了。
根据本发明的另一个实施例，在气体线路和/或在气体容器中的用于蓄热的装置的体积份额，尤其是金属，在分离元件，气体线路和/或在气体容器中的体积份额是不同的。对于金属，例如铁而言，由于铁具有较大的热容/每单位体积，因此，铁可以被使用。
根据本发明的一个有利的实施方式，在分隔元件和/或气体线路和/或气体容器中的用于蓄热的装置的特定热容是不相同的。优选地，分隔元件中的用于蓄热的装置的特定热容大于气体线路中的用于蓄热的装置的特定热容，和/或气体线路中的用于蓄热的装置的特定热容大于气体容器中的用于蓄热的装置的特定热容。
根据本发明另一个有利的实施方式，用于蓄热的装置在气体线路中的体积份额达到介于大致20%与70%之间，优选地，介于大致25%与50%之间，更佳地，介于大致30%与40%之间，和/或在气体容器中的体积份额达到介于大致5%与15%之间，优选地，为大致10%。在实施速度要求尽可能快的压缩过程中精确地产生高温度。为了操作该系统，尤其是以等温的方式操作该系统，在气体线路中尤其要求具有高热容。气体线路可以，尤其可以具有不同的区域，这些区域所具有用于蓄热的装置的体积份额不相同。
本发明进一步涉及一种设备，该设备具有蓄能器及设置于该蓄能器中作为气体空间及流体空间之间的分隔器的分隔元件。一种装置，尤其是一固体，设置于该分隔元件中用来蓄热。
该装置可以，例如，是金属或金属合金，例如钢和/或铁。尤其地，该装置可包括金属纤维，导线结，金属片和/或金属薄板。
优选地，该装置被设置为呈波浪状金属片圆柱体。可选地，金属片可以是波浪状，其中相邻的波浪状金属片可优选地互相错位设置以形成空的空间。或者，具有不同厚度且具有按压把手以作为间隔件的金属圆盘片亦是可行的。该装置为该气体空间增加了额外的热容量。
该气体空间可包括一个气体蓄能器，一个或多个气体容器和/或气体线路。该气体容器和/或气体线路中可具有用于蓄热的装置。该用于蓄热的装置在该分隔元件，该气体线路和/或该气体容器中的体积份额是不同的。该用于蓄热的装置在该气体线路中的体积份额可以，例如，达到介于大致20%与70%之间，优选地，介于大致25%与50%之间，更加优选地为介于大致30%与40%之间。该用于蓄热的装置在该气体容器中体积份额可以，例如，介于大致5%与15%之间，优选地，为大致10%。
以下的实施例涉及本发明的两个设备。
根据本发明的一个实施例，该用于蓄热的装置在分离器中的体积份额达到介于大致5%与15%之间，优选地，为大致10%。
可选地，分隔元件具有至少两个区域对应该用于蓄热的装置的不同的体积份额。尤其地，第一个区域中的体积份额达到介于大致5%与15%之间，优选地为大致10%，第二区域中的体积份额达到介于大致20%与70%之间，优选地为介于大致25%与50%之间，更加优选地为介于大致30%与40%之间。
其他区域中，体积份额可为大致10%，20%，30%及40%。
尤其地，这些区域之间可具有滑顺过度。
根据本发明的另一个实施例，该用于蓄热的装置的热传导率高于该气体空间的壁的热导率。在压缩气体时，尤其地，蓄存的能量的一部分即刻以热能量的形式蓄存于该用于蓄热的装置中。气体加热的程度减轻，因此，气体通过气体空间的壁将能量传递至环境中的速度减慢。能量损失因此降低，该蓄能器的效率因此上升。此外，由于通过冷却而导致的温度下降减少，气体压缩过程中压力上升的趋势减缓且压力变化的时间依赖性减弱。尽可能保持为不变的压力是实现精确测量所要求的。
根据本发明的另一个实施例，该用于蓄热的装置的表面大于该气体空间的壁的内表面。该用于蓄热的装置的表面设置得较大有利于改善热量吸收和/或热量排放。通过具有类栅格的结构或波浪状结构的金属片或金属薄板已经实现了这一点。此外，可通过采用，例如钢纤维或铁纤维以作为实现热吸收的装置。通过在该气体空间中采用具有较大表面的用于蓄热的装置，状态转换接近于状态等温转换。该用于蓄热的装置改善了以这种方式进行压力测量的过程中状态的预估，降低了能量损失并提升了蓄存容量。
本发明进一步涉及一种方法，用于确定分隔元件，尤其是移动于，特别是圆筒状的，蓄能器中气体空间和流体空间之间并用于将气体空间与该流体空间相隔开的活塞的位置的方法。根据本发明，压力数据，尤其是该流体空间中的压力数据，通过采用至少一个压力传感器来检测。该压力数据被传送至至少一个计算单元，该至少一个计算单元评估该压力数据并确定体积以及分隔元件的位置。与此同时或稍后，超声波数据，尤其是该流体空间中的超声波数据，通过采用至少一个超声波传感器而确定。可选地或另外地，气体空间中的压力数据和/或超声波数据也可相应检测得到。超声波数据被传送至该计算单元，该计算单元利用该超声波数据校正所确定的该分隔元件的位置。检测到的压力数据因此被稳定，尤其地，被所述超声波数据所稳定。
结合压力数据检测及超声波数据检测可克服独立检测的方法的缺点。稳定确定分隔元件的位置因此是可实现的。采用这种方法，影响测量的不确定的尺寸及数据可被参数化，压力路径行为可在所实施的测量中被确定。该行为可以，例如被传送至相同类型的设备并可作为设备特定自动优化的初始值。
该方法进一步包括采用至少一个温度传感器以检测温度数据的步骤，尤其是，检测流体和/或气体和/或周围环境空间的温度数据，其中，温度数据可被传送至该计算单元并可尤其地用于确定分隔元件的位置。因此，举例来说，可基于对非理想气体的状态方程来改善对分隔元件位置的计算。流体，气体和/或环境的温度被测量，尤其用于检测及确定气体损失。
根据本发明的一个实施例，错误的和/或不全的超声波数据被过滤掉且不用于位置确定的校正。错误的超声波测量值可能，例如，由于测量数值的不规则的改变或由于偏离于分隔元件的路径之外的数值而引起的。上述过滤操作，例如，可借助该计算单元中合适的算法予以实现。基于压力测量的分隔元件路径计算因此可通过校正后的超声波数据来进行校正。
根据本发明的一个实施例，可借助真实气体的状态绝热方程从压力数据中得到体积。如果流体朝该蓄能器中压入，则分隔元件的移动将使得气体空间中的压力改变。气体的温度因压缩而在起初以绝热的方式上升，并在此后通过蓄能器的壁与外界环境实现温度交换而最终与外界环境温度相匹配。在一个足够短的时间段内，例如，2秒钟的时间内，气体状态转换可以认为是绝热的并以绝热的方式进行计算。因此，基于非理想气体的状态方程，可根据测量到的压力确定体积从而确定分隔元件的位置。
因此，用于实现确定该分隔元件的位置的核心元素起初为基于真实气体的状态方程对压缩或膨胀的气体的体积变化进行计算。例如，用于真实气体状态的本尼迪克特-韦伯-鲁宾方程可适合于描述稠密气体并在简单与精确之间取得一个合理的折中。压力可通过温度函数、体积函数以及真实气体状态方程中的材料特征常数函数进行表达。因此，在考虑到气体参数以及随压力变化、随温度变化的参数时，可根据测量到的压力确定体积并相应确定活塞的位置。对于小的变化，可适用以下公式：
P * Vκ(p,T) =常量。
其中，κ为所谓描述多原子气体粒子内部自由度的绝热指数。绝热指数为材料特征且其取决于温度及气体的存在。
优选地，上述状态的绝热转换的偏差可适应性地用于后续的位置确定中。由于朝向周围环境辐射的热量，相关边界条件的有限的稳定性及对其有限的精确了解，例如，操作温度，与周围环境的热耦合或压力损失，借助状态的绝热转换方程而完成的计算无法基于一个较长的时间段。蓄能器填充完毕通常需要大约3到5秒钟的时间。在该时间段内，该蓄能器的壁已经吸收了大量的能量。这种行为对于某一设备而言是典型的，可被重复的，因此也是可被描述和计算的。通过一个适应性的方法，绝热行为的偏差可被确定，且该偏差可被考虑用于下一次的计算中。上述方法可通过，例如，借助计算单元及相应的数值方法来执行。
根据本发明的另一个实施例，通过借助真实气体的状态等温方程，体积可从上述压力数据中获得。如果由于与周围环境之间的热交换，例如，经过了大约3秒钟之后，气体的状态转换与状态等温转换相对应，则计算单元将依赖于，例如依赖于真实气体的状态等温方程而确定分隔元件的位置。因此，可在起初的时候根据状态的绝热转换并在一段时间之后根据状态的等温转换来确定体积。
如果，例如，在气体空间中设置一个用于蓄热的装置，则正如此前所述，在经过一个短时间段之后，系统已经处于状态的等温转换中。因此，状态的等温转换方程可用于确定体积，尤其地，从一开始就可以用于确定体积。
绝热指数κ定义为常量压力下的热容量与常量体积下的热容量之比，并与随温度变化的气体膨胀相对应。κ的数值大小取决于气体粒子的自由度的数量。通过额外设置用于蓄热的装置而使得受热的气体越少，则行为特性越接近等温边界条件。计算因此也就更加简单和精确。
根据本发明的另一实施例，确定分隔元件位置的操作可持续进行。因此，永久性的控制是可行的。可选地，亦可仅执行一次确定位置的操作和/或在某些时间点执行确定位置的操作。
附图说明
以下本发明的有利的实施例将结合附图纯示例性地说明本发明，图中示出：
图1为本发明第一实施例的设备的结构示意图；
图2为本发明第二实施例的设备的结构示意图；
图3为本发明第三实施例的设备的剖视图；
图4为本发明第四实施例的设备的剖视图；
图5为本发明第五实施例的设备的剖视图；
图6a为本发明第六实施例的设备的剖视图；
图6b及图6c为本发明图6a所示设备的详细剖视图；
图7为状态等温转换及绝热转换的示意图表；以及
图8为适应性评估的结构示意图。
具体实施方式
图1示出了用于确定形成分隔元件10的可移动活塞10的位置的设备。活塞10设置于活塞蓄能器12中并分隔开气体空间14及流体空间16。气体空间14包括设置于蓄能器12中的气体蓄能器18，气体线路20以及一个气体容器22。流体空间16通过连接结构24连接至一未在图中示出的液压系统。
压力传感器26及超声波传感器28均连接至流体空间16以及计算单元30。
图2进一步示意出了三个温度传感器32。在这种方式中，一个温度传感器32连接至流体空间16，一个温度传感器32连接至气体容器22，剩下的一个温度传感器32设置于设备的外部。同时，该三个温度传感器32均连接至计算单元30。
如果流体，例如油，通过连接结构24流向流体空间16，则活塞10将随着沿气体蓄能器18方向出现的压力而产生位移。气体空间14中的压力因此升高。气体温度起初以绝热的方式上升，随后通过气体空间14的壁34与周围环境之间进行温度交换以与环境温度相匹配。在一个短时间段内，气体状态转换可看成是以绝热的方式进行的。
压力传感器26初步测量流体空间16中的压力并将所测的压力数据传送至计算单元30。计算单元30基于真实气体的状态绝热方程，根据所测的压力确定体积。由于活塞蓄能器12的总的体积是已知的，活塞10的位置因此亦可由此确定。然而，气体的状态转换仅在短时间段内是以绝热的方式进行的。当经过一定的时间段后，就会出现偏差。由于这些偏差是典型的且可于特定的设备上复制重现，因此，这些偏差是可以被描述并计算的。通过采用适应性方法，计算单元30可确定绝热行为的偏差并将这些偏差用于下次计算。
进一步地，超声波传感器28确定超声波数据，其中信号被辐射到流体空间16中。这些信号经过活塞10反射之后再次被超声波传感器28所接收。因此，活塞10的位置可被确定。如果声音在流体中的传播受到例如由于流体的快速膨胀而产生的气泡的干扰，则任何切合实际的测量都是不可行的。进一步的，不均匀性，例如由流动的更热的流体所引起的不均匀性，可能影响上述测量。
活塞10位置的确定可通过结合压力数据及超声波数据来执行。在这种方式中，例如，起初地，流体空间16中的压力可借助压力传感器26进行测量。超声波传感器28的数据用于校正已确定的活塞10的位置。在这方面，计算单元30过滤掉例如由于测量值的不规则的变化或者由位于活塞移动路径之外的数值所引起的遗漏的或错误的超声波测量值。在这方面，计算单元30采用合适的算法和/或数值方法。反之亦然，可通过采用超声波数据确定活塞的位置并采用压力数据校正所确定的活塞位置。
图2所示的温度传感器32可进一步确定流体、气体以及环境温度的温度数据。这些数据同样用于确定活塞10的位置。计算单元30因此通过采用压力数据，超声波数据以及温度数据来实现精确确定可移动活塞10的位置。
在图3中示出了安装于气体蓄能器18，更准确地说，是安装于活塞10之内及安装于气体容器22之内的热容36。热容36代表了用于蓄热的装置36，热容36由具有高热导率及大表面的栅格状设置的钢金属片或波浪状金属片圆柱体所构成。热容36的热传导率尤其地高于气体空间14的壁34的热导率。
热容36在活塞10和/或在气体容器22中的体积份额可达到介于大致5%与15%之间，优选地，为大致10%。
如果气体中的压力上升，气体由于热容36的缘故将快速冷却下来，因此，在压缩过程中，气体空间14中的压力已经降低了。活塞蓄能器12因此可吸收更多的能量，从而使得蓄存容量上升。因为这个原因，气体压力更快地转变为等温状态。计算单元采用压力传感器26的压力数据，超声波传感器28的超声波数据，以及可能的温度传感器32的温度数据，以这些数据并基于真实气体的状态等温转换方程来计算体积从而计算活塞10的位置。
图4本质上与图3所示的实施例相对应。然而，在图4中，气体线路20及气体连接机构21中设置有额外的热容36’。热容36’的体积份额可以，尤其大于活塞10或气体容器22中的体积份额，并达到介于大致20%与70%之间，优选地，为介于大致30%与40%之间。
图5本质上与图4所示的实施例相对应。然而，在图5中，分隔元件10被分成两个区域。在第一个区域中，热容36在第一个区域中的体积份额尤其对应气体容器22中的体积份额的例如大致10%。第一区域中的体积份额优选地小于邻近气体空间18的第二区域中的体积份额。热容36’在第二区域中的体积份额位于例如大致20%与70%之间的区间内，优选地为大致30%与40%之间的区间内，尤其地与气体线路20中的体积份额相对应。
图6a以及其详细示意图6b及6c本质上与图4所示的实施例相对应。正如，尤其正如图6b中所能看出的，气体连接结构21设置为类似气体蓄能器18以及气体容器22的盖子。在气体连接结构21中设置有热容36’。气体线路20本身中则没有设置热容36’。当然，气体线路20本身中也是可设置有热容的。
气体连接结构21的热容36’可由热缓冲金属片所构成，且可被分为区域A1，A2，A3，以及A4。区域A2的体积与区域A4的体积相对应。这些区域分别占用气体连接结构21总体积的三分之一。区域A1及A3的尺寸相等，然而，该两区域作为一个整体仅占用气体连接结构21总体积的三分之一。
区域A1及A3中的铁的体积份额分别达到大致30%，在区域A2中大致为40%，在区域A4中大致为20%。
正如图6c中可看出的，活塞10分为区域A5，A6，A7，以及A8。可由热缓冲金属片构成的热容36在不同的区域中有所不同。在区域A5中，铁的体积份额达到大致40%，在区域A6中为大致30%，在区域A7中为大致20%，在区域A8中为大致10%。
气体连接结构21以及活塞10均可被分为多于或少于所示数量的区域—伴随着铁的体积份额的不同。
图7示意了在状态的等温转换38及在状态的绝热转换40中，压力p随体积V变化的情况。该两曲线和/或该两曲线所基于的方程可被用于确定体积从而确定活塞10的位置。
基于状态转换，计算单元30采用真实气体的状态等温方程或者状态绝热方程。在这方面，根据图1及图2所示，例如，绝热方程状态可以排它的使用。在压缩后的一个短时间段内，尤其是合计1秒钟的时间段内，行为因此可被正确地描述。随后，实际的行为已偏离状态绝热转换40。该偏差，例如，可采用接下来将在图8中进行详细解释的适应性方法进行抵消。
可选地或另外地，状态等温方程可在一个特定的时间点之后使用，例如在一秒钟后。在图3，4，5及6a所示的实施例中，气体稳定地处于准等温状态中。因此，计算单元30采用状态等温方程来根据压力计算体积。
图8举例性示意了适应性方法，其基于超声波测量数值US，压力测量数值p以及温度测量数值T1，T2及T3来确定活塞10的位置。在这种方式中，根据图2所示的实施例，超声波评估单元42，计算单元44以及输出单元46设置于一个计算单元中。
活塞位置S1通过超声波评估单元42的评估函数从超声波测量数值US中被评估得到并被确定。除了活塞位置S1可通过超声波的传播时间计算所得，该数值的置信度Q1亦可确定。置信度Q1为一个测量该数值落入实际数值限定的分布范围中的可能性的值。反射的超声波信号的强度，所确定的活塞10的加速度，遗漏的超声波信号或者多反射用来作为确定置信度Q1的标准。例如活塞位置S1的突然的跳跃或不实际的快速变化导致置信度Q1较低。
气体体积V可根据测量的压力p，测量的温度T1，T2，T3，以及这些值在时间t上的走向计算所得。在这种方式中，通过计算单元44的计算函数并基于真实气体的状态方程来实现该计算。活塞位置S2可从体积V中推断得到。针对确定的活塞位置S2的置信度Q2亦可获得，其中，活塞位置S2的置信度依赖于各单独的传感器的精确度以及尤其地依赖于各单独的测量数值的变化率。
当变化较小时，p * Vκ(p,T) 的结果为常量。变化越大，产生偏差的可能性越大，相应地置信度Q2越小。压力p与体积V之间呈现关联性，这表明不规则的或不实际的强烈变化导致置信度Q2较低。
通过状态方程计算所得的活塞位置S2与计算单元44的计算函数中活塞位置S1相对比，其中，活塞位置S1通过采用超声波评估单元42从超声波测量中获得。当超声波测量的置信度Q1较高，经由状态方程所计算获得的活塞位置S2因存在偏差结果而被校正。这样的校正在状态方程中被用作一个适应性参数并可为接下来的计算所用。因此，计算单元44的计算函数根据测量的压力数值p，温度值T1，T2，T3来确定体积从而确定活塞位置Q2，当超声波结果具有高的置信度Q1时校正该计算，并借用这些计算数值而将这些计算数值内插到其超声波测量的置信度Q1较低的区域中。
内插操作必须跨越的典型的时间间隔位于大约一秒的数量级。对应如此计算所得的活塞位置S3，其置信度Q3可基本上根据超声波测量的置信度Q1以及相应的计算而确定。
活塞位置S3由输出单元46的输出函数进行传递。在这种方式中，依据置信度Q3，根据状态方程并辅助以超声波结果计算所得的活塞位置S3被直接输出，或当有一个足够高的置信度Q1时，对应活塞位置S1的超声波结果也被直接输出。输出单元46的输出函数的活塞位置S3的置信度Q3由输入数值的置信度Q1及Q2所构成并可用于在低于限定的置信度或确定的活塞位置S3很不准确时产生一个错误信息或警告信号。
气体的冷却，例如通过采用图3中所示的用于蓄热的装置36所实现的气体冷却，对于计算所得的活塞位置S3的精确度以及置信度Q3是有利的。
本发明所提供的方法因此可以以结构紧凑的方式精确地确定可移动分隔元件10的位置。
元件编号列表
Figure BDA0000300180581
Figure BDA0000300180582

Claims (14)

1.一种设备，用于确定设置于蓄能器(12)中作为其气体空间(14)与流体空间(16)之间分隔器的可移动分隔元件(10)的位置，其中，该确定设备包括使得其可确定分隔元件(10)位置的至少一个用于检测压力数据的压力传感器(26)、至少一个用于检测超声波数据的超声波传感器(28)，以及至少一个用于评估上述数据的计算单元(30)，其特征在于，该确定设备还包括至少一个用于检测温度数据的温度传感器(32)。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，其中一个所述温度传感器(32)以导热方式耦合至所述流体，和/或其中一个所述温度传感器(32)以导热方式耦合至所述气体，和/或其中一个所述温度传感器(32)以导热方式连耦合至环境空气。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，一个用于蓄热的装置(36,36’)，尤其是一个固体，设置于所述分隔元件(10)中和/或设置于气体蓄能器(18)与气体容器(22)之间的气体线路(20)中和/或设置于气体容器(22)中。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述用于蓄热的装置(36，36’)的体积份额，尤其是金属，优选为铁的体积份额在所述分隔元件(10)，所述气体线路(20)和/或在所述气体容器(22)中是不同的。
5.如权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述用于蓄热的装置(36’)在所述气体线路(20)的体积份额达到介于大致20%与70%之间，优选地介于大致30%与40%之间；和/或所述用于蓄热的装置(36)在所述气体容器(22)中的体积份额达到介于大致5%与15%之间，优选地为大致10%。
6.一种设备，具有蓄能器(12)以及设置于该蓄能器(12)中作为气体空间(12)与流体空间(16)之间的分隔器的可移动分隔元件(10)，其特征在于，该设备还具有一个用于蓄热的装置(36，36’)，尤其是一个固体，设置于所述分隔元件(10)中。
7.如权利要求3至6的任一项所述的设备，其特征在于，所述用于蓄热的装置(36)在所述分隔元件(10)中的体积份额达到大致介于5%与15%之间，优选的为大至10%；或者，所述分隔元件中具有至少两个区域，各区域中的所述用于蓄热的装置(36，36’)的体积份额不相同；其中尤其地，在第一区域中，所述用于蓄热的装置(36)的体积份额介于大致5%与15%之间，优选地为大致10%，以及，在第二区域中，所述用于蓄热的装置(36’)的体积份额达到介于大致20%与70%之间，优选地为介于大致30%与40%之间。
8.如权利要求3至7任一项所述的设备，其特征在于，所述用于蓄热的装置(36，36’)的热传导率高于所述气体空间(14)的壁(34)的热传导率和/或所述用于蓄热的装置(36，36’)的表面大于所述气体空间(14)的壁(34)的内表面。
9.一种方法，用于确定于蓄能器(12)的气体空间(14)与流体空间(16)之间移动并将该两个空间相互分离开的分隔元件(10)的位置，包括以下步骤：
(a) 采用至少一个压力传感器(26)检测压力数据，尤其是所述流体空间(16)中的压力数据；
(a’) 采用至少一个温度传感器(32)检测温度数据，尤其是所述流体和/或所述气体和/或环境空气的温度数据；
(b) 传送所述压力数据及所述温度数据至至少一个计算单元(30)，所述计算单元(30)评估所述压力数据及温度数据并以此确定体积以及所述分隔元件(10)的位置；
(e) 采用至少一个超声波传感器(28)检测超声波数据，尤其是所述流体空间(16)中的超声波数据；
(f) 传送所述超声波数据至所述计算单元(30)，所述计算单元(30)采用所述超声波数据对所述分隔元件(10)的位置确定进行校正。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤(f)中，错误的和/或遗漏的超声波数据被过滤掉且不用于所述位置确定的校正。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述体积通过借助真实气体的状态绝热方程根据所述压力数据所确定。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述状态绝热转换的偏差适应性地为随后的位置确定操作所考虑。
13.如权利要求9至12任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述体积通过采用真实气体的等温方程状态根据所述压力数据确定。
14.如权利要求9至13任一项所述的方法，其特征在于，气体损失通过采用所述压力传感器(32)所确定。
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