DE10028811C2 - Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Be­ stimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbe­ sondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, und auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer physika­ lischen Größe der Flüssigkeit eines hydraulischen Sy­ stems, insbesondere ihres Gasgehalts.

Bei einem bekannten Verfahren und einer Vorrichtung dieser Art (US-Patentschrift 4 924 695) wird zum Messen des Gasgehalts in einer Flüssigkeit ein Gehäuse mit ei­ ner Bohrung verwendet, die mit einer schlauchartigen flexiblen Auskleidung versehen ist. Die Auskleidung be­ grenzt zusammen mit Teilen des Gehäuses eine Probenkam­ mer, in der eine Probe des Gehäuse mittels Sperrventi­ len eingeschlossen wird. Ein Hydraulik-Zylinder drückt Flüssigkeit in den Raum zwischen Gehäuse und Ausklei­ dung, um das Volumen der Probenkammer durch Verformung der Auskleidung zu verringern. Der Druck in der Proben­ kammer und ihre Volumenänderung hängen zusammen und werden zur Ermittlung des Gasgehalts der Flüssigkeit gemessen. Dieses Verfahren ist aufwendig und nicht zur Bestimmung der Elastizität des Gehäuses (der Wände) ei­ nes Hydraulik-Geräts, wie eines Hydraulik-Systems, oder des darin enthaltenen Fluids sowie des Volumens des Ge­ räts geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzuge­ ben, die es ermöglichen, wahlweise eine von zahlreichen physikalischen Größen eines hydraulischen Geräts, ins­ besondere des darin enthaltenen Fluids, auf einfache Weise zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufga­ be besteht darin, daß

• a) das hydraulische Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Druck vollständig gefüllt und ab­ gesperrt wird,
• b) ein weiteres absperrbares Gerät mit der Flüssig­ keit bis zu einem anderen bekannten Druck voll­ ständig gefüllt und abgesperrt wird,
• c) die beiden Geräte so miteinander verbunden wer­ den, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
• d) der Ausgleichdruck gemessen wird und
• e) an einem mathematischen Modell der beiden Geräte und ihrer Verbindung mittels eines Rechners der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe simuliert wird, bis sich der gemessene Ausgleichdruck ergibt.

Bei dieser Lösung kann das gleiche Verfahren zum Be­ stimmen irgendeiner physikalischen Größe des Geräts an­ gewandt werden, z. B.: des Gasgehalts, insbesondere des Luftgehalts, der Flüssigkeit; der Elastizität des Gases, der Flüssigkeit oder der das Volumen des einen Ge­ räts begrenzenden Wände; und des Volumens des einen Ge­ räts, sofern alle Größen, bis auf die zu bestimmende, bekannt sind. Dabei ist konstruktiv im einfachsten Fal­ le lediglich neben dem Gerät, bei dem die physikalische Größe bestimmt werden soll, das weitere Gerät als Be­ zugsgerät, ein Ausgleichventil in der Verbindung zwi­ schen den beiden Geräten und ein Rechner erforderlich. Bei den verschiedenen Werten der erwähnten physikali­ schen Größe, mit denen der Rechner den Ausgleichdruck simuliert, kann es sich um Schätzwerte handeln, die dann so gewählt werden, daß der errechnete Ausgleich­ druck möglichst nahe bei dem gemessenen Ausgleichdruck liegt oder sich diesem bei jedem neuen Schätzwert immer weiter annähert. Der Schätzwert, bei dem der errechnete Ausgleichdruck dem gemessenen Ausgleichdruck am näch­ sten kommt oder diesem gleicht, wird dann als der zu bestimmende Wert der physikalischen Größe benutzt.

Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung der genannten Aufgabe besteht dann darin, daß

• a) das eine Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• b) ein weiteres Gerät mit der Flüssigkeit bis zu ei­ nem anderen bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• c) die beiden Geräte so miteinander verbunden wer­ den, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
• d) der Ausgleichsdruck gemessen wird und
• e) sich die zu bestimmende physikalische Größe mit den bekannten Anfangsdrücken und dem Ausgleich­ druck aus einer Tabelle ergibt, die mittels eines mathematischen Modells der beiden Geräte und ih­ rer Verbindung mit Hilfe eines Rechners, in dem der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe und ver­ schiedenen Werten der erwähnten Anfangsdrücke si­ muliert wird, erstellt wird.

Bei dieser Lösung muß zwar zuvor eine Tabelle zusammen­ gehöriger Werte der zu bestimmenden Größe und von Aus­ gleichdrücken erstellt werden, doch kann der eigentli­ che Bestimmungsvorgang dadurch erheblich beschleunigt werden.

Bei den Geräten kann es sich um hydraulische Systeme handeln. Eine Vereinfachung des Verfahrens kann jedoch dadurch erreicht werden, daß zur Bestimmung einer phy­ sikalischen Größe einer Flüssigkeit als Geräte Behälter verwendet werden. Dies ermöglicht auf besonders einfa­ che Weise das Messen einer physikalischen Größe einer Flüssigkeit, bevor sie in ein hydraulisches System ge­ leitet wird.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das eine der beiden Geräte die zu bestimmende physikalische Größe aufweist und das andere Gerät als Referenzgerät dient.

Ferner sollten die beiden Geräte, bevor sie mit der Flüssigkeit unter Druck gefüllt werden, mit der Flüs­ sigkeit gespült werden. Auf diese Weise wird sicherge­ stellt, daß die Geräte bei der Zuführung der Druckflüs­ sigkeit mit ein- und derselben Flüssigkeit gefüllt wer­ den, ohne daß Reste einer zuvor benutzten anderen Flüs­ sigkeit oder eines Gases, insbesondere Luft, in den Ge­ räten vorhanden sind.

Als Rechner kann ein entsprechend aufgebauter Analo­ grechner verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein programmierbarer Digitalrechner verwendet. Bei einem solchen Rechner muß lediglich das Programm entsprechend erstellt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht darin, daß sie aufweist:

• a) zwei Behälter mit jeweils einem Druckmeßgerät,
• b) ein Ventil, mit dem eine Verbindung zwischen der Hochdruckseite des Systems und den beiden Behäl­ tern hergestellt und abgesperrt werden kann,
• c) ein Ventil, mit dem eine Verbindung zwischen den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt wer­ den kann,
• d) ein oder mehrere Ventile, mit dem bzw. denen eine Verbindung zwischen der Niederdruckseite des Sy­ stems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann, und
• e) einen Rechner, durch den die erwähnten Ventile betätigt werden können, wobei
• f) die Drücke in den beiden Behältern in dem Rechner aufgenommen sind,
• g) nach einem Programm in dem Rechner beide Behälter mit Systemflüssigkeit bis zu verschiedenen be­ kannten Drücken gefüllt und abgesperrt und danach die beiden Drücke ausgeglichen werden können, und
• h) in dem Rechner ein mathematisches Modell der bei­ den Behälter und ihrer Verbindung programmiert ist, mit dem der Druckausgleich mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe nachgeahmt werden kann, bis sich der gemessene Ausgleichsdruck ergibt.

Diese Ausbildung ermöglicht ein selbsttätiges Bestimmen der gewünschten physikalischen Größe. Dabei können die Behälter mittels der Ventile in einem Arbeitsgang nach­ einander mit derselben Flüssigkeit gespült werden, bis sie gefüllt sind.

Ferner kann ein durch den Rechner steuerbares Druckven­ til vorgesehen sein, mit dem die Werte der Drücke in beiden Behältern bestimmt werden können.

Statt dessen oder zusätzlich kann eine Pumpe vorgesehen sein, die die Werte der Drücke in den beiden Behältern unabhängig vom Systemdruck bestimmt.

Bei der erwähnten physikalischen Größe der Flüssigkeit des hydraulischen Systems kann es sich um den Luftge­ halt handeln.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand der beiliegenden Zeichnung bevorzugter Aus­ führungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vor­ richtung, ohne den zugehörigen Rechner,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf unterschiedlicher An­ fangsdrücke in zwei Geräten nach deren Ver­ bindung bis zu einem Ausgleich der Drücke,

Fig. 3 den anhand eines mathematischen Modells in einem Rechner simulierten Verlauf der glei­ chen Anfangsdrücke wie in Fig. 2 bis zum Er­ reichen des gleichen Ausgleichdrucks,

Fig. 4 und 5 ähnliche Druckdiagramme wie die nach den Fig. 2 und 3, jedoch für verschiedene An­ fangsdrücke bei den gleichen Geräten,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung, ohne den zugehörigen Rechner,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 8 eine ausführlichere Darstellung eines Teils des Ablaufdiagramms nach Fig. 7,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer selbsttätig arbei­ tenden erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eins zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen selbsttätig arbeitenden Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens,

Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Teils des Rechners, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Fig. 12 ein weiteres Teil des Rechners, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Fig. 13 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Rech­ ners, der aus den Teilen nach den Fig. 11 und 12 aufgebaut ist, und

Fig. 14 ein ausführlicheres Blockschaltbild des Rech­ ners, der zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens verwendet werden kann.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 das erfin­ dungsgemäße Verfahren am Beispiel der Bestimmung oder Messung des Luftgehalts einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, z. B. Öl, eines hydraulischen Geräts A, z. B. eines hydraulischen Systems oder einfach eines Be­ hälters, beschrieben.

Das Gerät A hat einen Eingang 1 und einen Ausgang 2. Der Eingang 1 ist über ein Einlaßventil V₁ mit dem Aus­ gang einer durch einen Motor M angetriebenen Pumpe 3 und einem am Ausgang der Pumpe 3 angeschlossenen ein­ stellbaren Druckbegrenzungsventil 4 verbunden. Ferner ist der Eingang 1 mit einem Druckmeßgerät 5 verbunden. Ein weiteres hydraulisches Gerät B, bei dem es sich ebenfalls um ein hydraulisches System oder einfach ei­ nen Behälter handeln kann, hat ebenfalls einen Eingang 6 und einen Ausgang 7. Der Ausgang 2 des Geräts A ist mit dem Eingang 6 des Geräts B über ein Ausgleichventil V₂ verbunden. Ferner ist auch am Eingang 6 des Geräts B ein Druckmeßgerät 8 angeschlossen. Der Ausgang 7 des Geräts B steht über ein Auslaßventil V₃ mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Behälter 9 für die Flüssig­ keit in Verbindung. Desgleichen mündet der Ausgang des Druckbegrenzungsventils 4 in dem Behälter 9.

Für die Bestimmung oder Messung der gewünschten Größe, hier des Luftgehalts der Flüssigkeit, werden zunächst die Ventile V₁, V₂ und V₃ alle geöffnet und die Pumpe 3 in Betrieb gesetzt, wobei die durch die Pumpe 3 aus dem Behälter 9 abgesaugte Flüssigkeit, deren Luftgehalt be­ stimmt werden soll, unter einem durch die Einstellung des Druckbegrenzungsventils 4 bestimmten Druck nachein­ ander durch beide Geräte A und B fließt, so daß sie ge­ spült und mit der Flüssigkeit vollständig gefüllt wer­ den, um zu verhindern, daß eine Restflüssigkeit mit ei­ nem anderen Gasgehalt als dem der für die Messung be­ nutzten Flüssigkeit oder Luft in den Geräten A und B sowie den Verbindungsleitungen und Ventilen vorhanden ist.

Danach wird das Auslaßventil V₃ geschlossen und das Druckbegrenzungsventil 4 auf einen relativ niedrigen Anfangsdruck P_Bo eingestellt. Sobald dieser Druck durch das Meßgerät 8 angezeigt wird, wird das Ausgleichventil V₂ geschlossen. Anschließend wird das Druckbegrenzungs­ ventil 4 auf einen höheren Anfangsdruck P_Ao eingestellt und das Gerät A weiter mit der Flüssigkeit bis zum Druck P_Ao gefüllt, wobei dieser Druck durch das Meßge­ rät 5 ablesbar ist. Danach wird das Ventil V₁ geschlos­ sen und die Pumpe 3 außer Betrieb gesetzt. Das Gerät A ist nunmehr mit der Flüssigkeit unter dem höheren An­ fangsdruck P_Ao und das Gerät B mit der gleichen Flüs­ sigkeit unter dem niedrigeren Anfangsdruck P_Bo gefüllt.

Danach wird das Ausgleichventil V₂ geöffnet, so daß sich die in den beiden Geräten A und B herrschenden An­ fangsdrücke ausgleichen können.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drücke P_A(t) und P_B(t) in den Geräten A und B, ausgehend von einem Anfangsdruck P_Ao von 197 bar im Gerät A und einem An­ fangsdruck P_Bo von 3 bar im Gerät B bis zu einem konstanten Ausgleichdruck P_em von 89,8 bar in beiden Gerä­ ten A und B sowie in den zwischen ihnen und den Venti­ len V₁ bis V₃ liegenden Leitungen und dem Ausgleichven­ til V₂.

Dieser Verlauf wird durch die Meßgeräte 5 und 8 ange­ zeigt. Sobald sich die Anzeige der Meßgeräte 5 und 8 nicht mehr ändert, wird der Ausgleichdruck P_em abgele­ sen.

Danach wird mittels eines (in Fig. 1 nicht dargestell­ ten) Rechners nach bekannten physikalischen Gesetzen des Zusammenhangs zwischen dem Luftgehalt V_g der Flüs­ sigkeit; der Elastizität des Gases, der Flüssigkeit und der die Volumina V_A und V_B der beiden Geräte A und B sowie die zwischen ihnen liegenden Leitungen begrenzen­ den Wände; und der Volumina V_A, V_B, die als bekannt un­ terstellt werden, anhand eines mathematischen Modells der Anordnung aus dem Ausgleichventil V₂ und den Gerä­ ten A, B so oft für verschiedene Schätzwerte des Luft­ gehalts V_g ein Ausgleichdruck P_er berechnet, bis sich bei einem der Schätzwerte der gemessene Ausgleichdruck P_em ergibt. Der Schätzwert V_g, bei dem der berechnete Ausgleichdruck P_er am dichtesten bei dem gemessenen Ausgleichdruck P_em liegt oder mit dem gemessenen Aus­ gleichdruck P_em identisch ist, wird dann als der rich­ tige Meßwert des Luftgehalts verwendet.

Der sich für den letzten Schätzwert bei der Berechnung ergebende zeitliche Verlauf der Drücke P_A(t) und P_B(t) in den Geräten A und B für die Anfangsdrücke P_Ao = 197 bar und P_Bo = 3 bar ist in Fig. 3 dargestellt und ergab einen Luftgehalt von 0,56 Volumenprozent bei dem glei­ chen Ausgleichdruck P_em von 89,8 bar, wie er zuvor mit­ tels der Meßgeräte 5 und 8 gemessen wurde. Der zeitliche Verlauf der Drücke P_A(t) und P_B(t) wird hierbei auf einem Bildschirm des Rechners wiedergegeben, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Der auf dem Bildschirm darge­ stellte Verlauf des Ausgleichs der beiden Drücke weicht zwar etwas von dem in Fig. 2 dargestellten, abgesehen vom Zeitmaßstab und dem Beginn der Kurven, ab. Prinzi­ piell haben beide jedoch bis zum Druckausgleich nach etwa 0,25 s seit Öffnung des Ausgleichsventils V1 bzw. dem Beginn der Simulation die gleiche Form.

Fig. 4 stellt ein weiteres Beispiel des Verlaufs der Drücke P_A(t) und P_B(t) bei einem Druckausgleich mit der gleichen Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, dar, wobei jedoch der Anfangsdruck P_Ao nur 17 bar und der Anfangsdruck P_Bo weiterhin 3 bar betrug. Hier­ bei zeigten die Meßgeräte 5 und 8 nach dem Druckaus­ gleich einen Ausgleichdruck P_em von 7,5 bar an.

Rechnerisch ergab sich dann für den gleichen Luftgehalt von 0,56 Volumenprozent ein Ausgleichdruck P_er von 7,7 bar, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Um den gleichen Ausgleichdruck P_em von 7,5 bar, wie er mittels der Meß­ geräte 5 und 8 gemessen wurde, zu erhalten, wurde dann rechnerisch (mittels des Rechners) ein Luftgehalt von 0,59 Volumenprozent gefunden. Dies zeigt, daß die Re­ chenergebnisse auch bei unterschiedlichen Anfangsdrüc­ ken nur mit einem geringen Fehler, der innerhalb der Meßgenauigkeit liegt, voneinander abweichen.

Bei dem anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Meßver­ fahren können unterschiedliche Geräte A und B benutzt werden, sofern ihre Parameter, nämlich Volumen, Elasti­ zität der Geräte und der Flüssigkeit sowie der Gasge­ halt der Flüssigkeit und die Elastizität des Gases, einschließlich der Elastizität der Verbindungsleitung zwischen den Geräten und die Parameter des Ausgleich­ ventils V₂, bis auf die gesuchte Meßgröße, bekannt sind. Ferner können die Geräte A und B komplizierte hy­ draulische Systeme sein. Um lediglich den Luftgehalt in einer Flüssigkeit, z. B. in Öl, zu messen, ist es jedoch zweckmäßig, anstelle komplizierter hydraulischer Syste­ me einfache Behälter als Geräte A und B zu benutzen, deren Volumina und Elastizitäten zweckmäßigerweise gleich sein sollten, um das Messen, insbesondere die Berechnung, zu vereinfachen.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung, die gegenüber der in Fig. 1 dargestellten geringfügig abgewandelt ist. So sind hier die Eingänge 1 und 6 der Geräte A und B über das Ausgleichventil V₂ verbunden und am Ausgang 2 des Geräts A ein weiteres Auslaßventil V₃ angeschlossen. Im übrigen sind die Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 6 gleich. Der unterschiedliche Aufbau ermöglicht jedoch im Vergleich zu dem nach Fig. 1, daß die beiden Geräte A und B unabhängig voneinander gespült und gefüllt wer­ den können, bevor sie mit derselben Flüssigkeit unter Druck weiter gefüllt werden. Im übrigen ist dann auch das Meßverfahren prinzipiell das gleiche.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen das Meßverfahren in Form von Ablaufdiagrammen. Dabei stellt Fig. 8 den im ersten Block der Fig. 7 dargestellten Verfahrensablauf ausführlicher dar. Anhand der zuvor geschilderten Ver­ fahrensschritte dürften die Ablaufdiagramme nach den Fig. 7 und 8 aus sich heraus ohne weitere Erläuterungen verständlich sein.

Alternativ kann mittels des Rechners für eine Vielzahl verschiedener, in kleinen Intervallen abgestufter Luft­ gehalte und zwei vorbestimmte Anfangsdrücke P_Ao und P_Bo eine Tabelle aus den Luftgehalten und den zugehörigen, berechneten Ausgleichdrücken erstellt werden. Anschlie­ ßend kann wiederum für die beiden in der Tabelle ange­ gebenen Anfangsdrücke P_Ao und P_Bo mit der Vorrichtung nach Fig. 1 oder Fig. 6 der Ausgleichdruck P_em gemessen werden. Anhand des gemessenen Ausgleichdrucks kann dann aus der Tabelle unmittelbar der zugehörige Luftgehalt entnommen werden.

Die Messungen können in entsprechender Weise auch für andere physikalische Größen der Geräte A, B und ihrer Verbindungsleitung sowie des zwischen ihnen liegenden Ausgleichventils V₂, z. B. das Volumen eines Geräts (eines hydraulischen Systems oder Behälters) und dessen Elastizität, ermittelt werden, wenn der Luftgehalt be­ kannt ist. Ferner können die Volumina der Geräte und deren Eigenschaften auch unterschiedlich sein.

Dergleichen kann nicht nur der Luftgehalt einer Flüs­ sigkeit, sondern auch der Gehalt eines anderen Gases in der Flüssigkeit nach den geschilderten Verfahren ermit­ telt werden.

Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die einzelnen Verfahrensschritte zum Teil manuell ausge­ führt werden, ist es auch möglich, das Verfahren voll­ ständig selbsttätig durchzuführen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung nach Fig. 1 durch die Vorrichtung nach Fig. 9 ersetzt werden. Desgleichen kann hierfür die Vorrichtung nach Fig. 6 durch die Vorrichtung nach Fig. 10 ersetzt werden.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 9 steuert ein entspre­ chend programmierter oder ausgebildeter Rechner 10 zu­ sätzlich die in diesem Falle magnetisch betätigbaren Ventile V₁, V₂, V₃ und 4 sowie den Motor M der Pumpe 3 und einen Bildschirm 11 zur Einstellung der Anfangs­ drücke P_Ao und P_Bo in Abhängigkeit von Signalen der in diesem Falle ohne Anzeige ausgebildeten Druckmeßgeräte 5 und 8, die die gemessenen Drücke in entsprechende di­ gitale Signale umsetzen, wobei der Rechner 10 auf dem Bildschirm 11 zumindest die Rechenergebnisse, gewünsch­ tenfalls aber auch die Druckmeßwerte anzeigt. Über ei­ nen Eingang 12 können dem Rechner 10 bekannte physika­ lische Größen der Geräte A, B, des Ausgleichventils V₂ und ihrer Verbindungsleitungen eingegeben werden. Der Motor M wird durch den Rechner 10 lediglich ein- bzw. ausgeschaltet.

Die Vorrichtung nach Fig. 10 unterscheidet sich von der nach Fig. 9 in gleicher Weise wie die Vorrichtung nach Fig. 6 von der nach Fig. 1, d. h. in dem einen Falle (Fig. 9) sind die beiden Geräte A und B hintereinander angeordnet, und im anderen Falle (Fig. 10) sind sie parallel geschaltet, wobei das Gerät A mit einem zu­ sätzlichen Auslaßventil V₃ verbunden ist.

Nachstehend wird dargelegt, welche physikalischen Ge­ setze sowohl in dem in den Fig. 1 und 6 nicht darge­ stellten Rechner als auch in dem Rechner 10 nach den Fig. 9 und 10 zur Nachbildung der Geräte A, B, des Ven­ tils V₂ und ihrer Verbindungsleitungen als Rechenmodell realisiert werden und wie der Rechner im Falle eines Analogrechners aufgebaut oder im Falle eines Digital­ rechners programmiert sein kann.

Der Druckaufbau in einem Raum, unter der Annahme, daß die Temperatur währenddessen konstant ist, kann durch folgende Differentialgleichung ausgedrückt werden:

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß die Druckän­ derung von der Eingangsströmung Q_e(t) und der Ausgangs­ strömung Q_a(t) in den bzw. aus dem Raum, vom Volumen V des Raums und der Gesamtelastizität β, d. h. der Elasti­ zität der ihn begrenzenden Wände und der Elastizität der in ihm enthaltenen Fluide, abhängt. Während die Elastizität eines in dem Raum enthaltenen Gases stark vom Druck P in dem Raum abhängt, können die übrigen Elastizitäten weitgehend als konstant betrachtet wer­ den. Für die Gesamtelastizität β(P) als Funktion des Drucks P läßt sich daher folgende Beziehung angeben:

Darin sind β_s die Elastizität eventueller Schläuche in dem den Raum bildenden Gerät, β_p die Elastizität der Wände des Raums, soweit sie nicht durch Schläuche ge­ bildet werden, β_f die Elastizität der im Raum enthalte­ nen Flüssigkeit, z. B. von Öl, V_s der prozentuale Anteil des Schlauchvolumens am Gesamtvolumen V, das in dieser Gleichung (2) als 1 angenommen ist, V_g der prozentuale Anteil des Gasvolumens am oder der Gasgehalt in Volu­ menprozent vom Gesamtvolumen.

Die Druckabhängigkeit der Gesamtelastizität β(P) wird mithin hauptsächlich durch die Druckabhängigkeit des Gasvolumens bestimmt.

Die beiden Gleichungen (1) und (2) lassen ferner erken­ nen, daß die Berechnung einer Druckänderung in einem Raum manuell sehr schwierig ist. Daher werden die Glei­ chungen in einem Rechner nachgebildet, in dem eine nu­ merische Berechnung in kleinen Zeitabständen vorgenom­ men wird.

Zu berücksichtigen ist ferner die Druckabhängigkeit des Durchflusses (Q(t)) durch ein Ventil in Abhängigkeit von der Druckdifferenz am Ventil und der Dichte ρ der durch das Ventil strömenden Flüssigkeit. Für diesen Durchfluß gilt

wenn man das Ventil als eine Blende betrachtet. In die­ ser Gleichung (3) sind ferner C eine Blendenkonstante und A_o der Flächeninhalt des Durchtrittsquerschnitts der Blende bzw. des Ventils, im vorliegenden Falle des Ausgleichventils V₂.

Ein Rechenmodell für die Geräte A und B sowie des Aus­ gleichventils V₂ läßt sich dann mittels eines Rechners beispielsweise so realisieren, wie es durch die in den Fig. 11 bis 14 dargestellten Blockschaltbilder veran­ schaulicht ist.

Fig. 11 stellt den prinzipiellen Aufbau einer Rechen­ einheit 13 zur Berechnung des Drucks P in einem Raum in Abhängigkeit von seinen Ein- und Ausgangsdurchflüssen Q_e(t) und Q_a(t), seines Volumens V und seiner Gesamte­ lastizität β(P) gemäß der Gleichung (1) dar.

Die Recheneinheit 13 besteht aus mehreren kleineren Re­ cheneinheiten: einem Subtrahierer 14, dessen Eingängen die Durchflüsse Q_e(t) und Q_a(t) zugeführt werden, einem Kehrwertbildner 15, der den Kehrwert des Volumens V bildet, einem Multiplizierer 16 mit zwei Eingängen, dem die Ausgangsgrößen des Subtrahierers 14 und des Kehr­ wertbildners 15 zugeführt werden, einem weiteren Multi­ plizierer 17 mit zwei Eingängen, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines dem Multiplizierer 17 nachgeschal­ teten Integrators 18 mit zwei Eingängen verbunden ist, dessen zweitem Eingang ein Anfangsdruck P_o zugeführt wird und dessen Ausgangsgröße den Druck P darstellt, und einer Recheneinheit 19, die die Gesamtelastizität β(P) gemäß Gleichung (2) in Abhängigkeit von dem Druck P in dem Gerät und von weiteren Parametern des Geräts ermittelt, wobei die Ausgangsgrößen des Multiplizierers 16 und der Recheneinheit 19 dem Multiplizierer 17 zuge­ führt werden. Hierbei können die Multiplizierer 16 und 17 auch als ein einziger Multiplizierer 20 mit drei Eingängen betrachtet werden, dem die Ausgangsgrößen des Subtrahierers 14, des Kehrwertbildners 15 und der Re­ cheneinheit 19 zugeführt werden. Der Kehrwertbildner 15 kann auch als Dividierer bezeichnet werden.

Fig. 12 veranschaulicht eine Recheneinheit 22 zur Be­ rechnung der Gleichung (3). Die Recheneinheit 22 ent­ hält einen Subtrahierer 23, der die Differenz der Ein­ gangs- und Ausgangsdrücke eines Ventils, hier die Dif­ ferenz aus dem Druck P_A(t) im Gerät A und dem Druck P_B(t) im Gerät B bei geöffnetem Ventil V₂ berechnet und das Ergebnis dem einen von drei Eingängen eines Multi­ plizierers 24 zuführt. Dem zweiten Eingang des Multi­ plizierers 24 wird die Zahl 2 und dem dritten Eingang des Multiplizierers 24 der Kehrwert 1/ρ der Dichte ρ der Flüssigkeit über einen Kehrwertbildner 25 zuge­ führt. Die Ausgangsgröße des Multiplizierers 24 stellt den Radikanden des Wurzelausdrucks in Gleichung (3) dar. Aus diesem wird durch einen Wurzelzieher 26 die Wurzel gezogen und einem von drei Eingängen eines wei­ teren Multiplizierers 27 zugeführt. Der Wurzelzieher 26 erzeugt bei positivem Radikanden ein positives Ergebnis und bei negativem Radikanden ein negatives Ergebnis. Den beiden weiteren Eingängen des Multiplizierers 27 werden die Blendenkonstante C und der Flächeninhalt A_o zugeführt. Die Ausgangsgröße des Multiplizierers 27 stellt dann den Durchfluß Q(t) durch ein Ventil, in diesem Falle durch das Ventil V₂, dar.

Fig. 13 stellt ein Blockschaltbild des gesamten Rech­ ners dar, der aus zwei Recheneinheiten 13 nach Fig. 11 und der Recheneinheit 22 nach Fig. 12 in der in Fig. 13 dargestellten Weise aufgebaut ist.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Rechner berechnet die Recheneinheit 13 mithin den zeitlichen Verlauf des Drucks P_A(t) im Gerät A und die Recheneinheit 13 den zeitlichen Verlauf des Drucks P_B(t) im Gerät B während des Druckausgleichs in Abhängigkeit von den jeweils dargestellten Eingangsgrößen der Recheneinheiten 13. Hierbei ist unterstellt, daß die Volumina V und die Elastizitäten β_p der beiden Geräte A und B gleich sind. Ferner sind der Eingangsdurchfluß Q_e(t) des Geräts A und der Ausgangsdurchfluß Q_a(t) des Geräts B gleich 0, so daß der von der Recheneinheit 22 ermittelte Durch­ fluß Q(t) zum einen den Ausgangsdurchfluß Q_a(t) des Ge­ räts A und zum anderen den Eingangsdurchfluß Q_e(t) des Geräts B bildet.

Wenn der Gasgehalt V_g der Flüssigkeit gemessen werden soll, ist vorausgesetzt, daß die Volumina V und die Elastizitäten β_p und β_f bei beiden Geräten bekannt sind. Alternativ kann auch anstelle des Gasgehalts V_g eine andere der physikalischen Größen V, β_p und β_f berechnet werden, wenn die übrigen physikalischen Größen bekannt sind. Hierfür braucht dann jeweils nur abgewar­ tet zu werden, bis der auf dem Bildschirm 11 angezeigte Verlauf der beiden Drücke P_A(t) und P_B(t) in den Gerä­ ten A und B ausgeglichen ist und der errechnete Aus­ gleichdruck P_er mit dem zuvor gemessenen Ausgleichdruck P_em übereinstimmt. Der dann zuletzt eingegebene Wert der zu messenden physikalischen Größe bildet dann den gesuchten Meßwert. Anstelle des Bildschirms 11 oder zu­ sätzlich zu diesem kann ein Drucker 28 vorgesehen sein, dem laufend der neue Schätzwert der zu messenden Größe zugeführt wird und der durch einen Vergleicher 29 in Betrieb gesetzt werden kann, wenn der Vergleicher 29 feststellt, daß die beiden Drücke P_A(t) und P_B(t) gleich sind.

Fig. 14 stellt das in Fig. 13 dargestellte Blockschalt­ bild ausführlicher und in allgemeinerer Form für un­ gleiche Geräte A und B dar, die mithin unterschiedliche Volumina V_A, V_B, unterschiedliche Gesamtelastizitäten βA und βB aufgrund unterschiedlicher Elastizitäten β_pA und β_pB ihrer Wände sowie unterschiedliche Gasgehalte V_gA und V_gB aufweisen, jedoch keine Schläuche enthal­ ten. Es ist daher möglich, eine beliebige dieser drei Größen nach dem angegebenen Verfahren zu messen, wenn alle anderen bekannt sind.

Der in den Fig. 13 und 14 dargestellte Rechner kann mithin auch für die sellbsttätige Berechnung des Aus­ gleichdrucks P_er für unterschiedliche Meßgrößen verwen­ det werden.

Abweichend von dem in Fig. 14 dargestellten Block­ schaltbild kann der eine Subtrahierer 14 als Umkehrstu­ fe ausgebildet sein, da sein nicht umkehrender Eingang (+) null ist. In ähnlicher Weise kann der andere Sub­ trahierer 14, der gestrichelt dargestellt ist, wegge­ lassen werden und stattdessen eine durchgehende Verbin­ dung vom Ausgang des Multiplizierers 27 zu dem einen Eingang des Multiplizierers 20 vorgesehen sein, weil dem umkehrenden Eingang (-) dieses Subtrahierers 14 kein Signal zugeführt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts (A) oder der darin ent­ haltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) das hydraulische Gerät (A) mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• b) ein weiteres absperrbares Gerät (B) mit der Flüs­ sigkeit bis zu einem anderen bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• c) die beiden Geräte (A, B) so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
• d) der Ausgleichdruck gemessen wird und
• e) an einem mathematischen Modell der beiden Geräte und ihrer Verbindung mittels eines Rechners der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe simuliert wird, bis sich der gemessene Ausgleichdruck ergibt.

2. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts (A) oder der darin ent­ haltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeich­ net, daß

• a) das eine Gerät (A) mit der Flüssigkeit bis zu ei­ nem bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• b) ein weiteres Gerät (B) mit der Flüssigkeit bis zu einem anderen bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
• c) die beiden Geräte (A, B) so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
• d) der Ausgleichsdruck gemessen wird und
• e) sich die zu bestimmende physikalische Größe mit den bekannten Anfangsdrücken und dem Ausgleich­ druck aus einer Tabelle ergibt, die mittels eines mathematischen Modells der beiden Geräte und ih­ rer Verbindung mit Hilfe eines Rechners, in dem der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe und ver­ schiedenen Werten der erwähnten Anfangsdrücke si­ muliert wird, erstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Geräte (A, B) Druckbehälter ver­ wendet werden und die physikalische Größe zur Flüssigkeit gehört.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das eine der beiden Geräte (A, B) die zu bestimmende physikalische Größe aufweist und das andere Gerät (B) als Referenzgerät dient.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Geräte, bevor sie mit der Flüssigkeit unter Druck gefüllt wer­ den, mit der Flüssigkeit gespült werden.

6. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Grö­ ße der Flüssigkeit eines hydraulischen Systems, ins­ besondere des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

• a) zwei Behälter (A, B) mit jeweils einem Druckmeß­ gerät (5, 8),
• b) ein Ventil (V1), mit dem eine Verbindung zwischen der Hochdruckseite des Systems und den beiden Be­ hältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
• c) ein Ventil (V2), mit dem eine Verbindung zwischen den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
• d) ein oder mehrere Ventile (V3), mit dem bzw. denen eine Verbindung zwischen der Niederdruckseite des Systems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann, und
• e) einen Rechner, durch den die erwähnten Ventile betätigt werden können, wobei
• f) die Drücke in den beiden Behältern in dem Rechner aufgenommen sind,
• g) nach einem Programm in dem Rechner beide Behälter mit Systemflüssigkeit bis zu verschiedenen be­ kannten Drücken gefüllt und abgesperrt und danach die beiden Drücke ausgeglichen werden können, und
• h) in dem Rechner ein mathematisches Modell der bei­ den Behälter und ihrer Verbindung (V2) program­ miert ist, mit dem der Druckausgleich mit ver­ schiedenen Werten der zu bestimmenden physikali­ schen Größe nachgeahmt werden kann, bis sich der gemessene Ausgleichsdruck ergibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein durch den Rechner steuerbares Druckven­ til (4) vorgesehen ist, mit dem die Werte der Drücke in beiden Behältern bestimmt werden können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die die Werte der Drücke in den beiden Behältern unabhängig vom Systemdruck bestimmt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die erwähnte physikalische Größe der Flüssigkeit des hydraulischen Systems der Luftgehalt ist.