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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des
Drucks in einem hydropneumatischen Druckspeicher, welcher aus einem Gasvolumen
und einem Flüssigkeitsvolumen
besteht, welche über
ein dehnfähiges
Trennelement voneinander getrennt sind.
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In
hydraulischen Systemen finden hydropneumatische Druckspeicher Verwendung,
die es ermöglichen,
Energie in Form von Druck zu speichern, welcher als Reserve für Notfälle oder
als Absorptions- bzw. Dämpfungsmedium
diversen Aggregaten zur Verfügung
gestellt werden muss. Insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik
wird der in derartigen Druckspeichern gespei cherte Druck zu Zwecken der
Schockabsoption oder zur Stoß- und Schwingungsdämpfung herangezogen.
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Da
Flüssigkeiten
nahezu inkompressibel sind, sind sie nicht in der Lage, Druckenergie
zu speichern. Im Gegensatz hierzu verhalten sich Gase kompressibel.
Daher wird in den hydropneumatischen Speichern die Kompressibilität eines
Gases zur Energiespeicherung ausgenutzt, wobei dieses Gas mit einer
Flüssigkeit
zusammenwirkt, welche letztendlich dazu dient, den gespeicherten
Druck an die jeweilige Verbraucherstelle in einem hydraulischen
System zu übertragen.
Demzufolge bestehen derartige hydropneumatische Druckspeicher aus
einem Flüssigkeitsvolumen
und einem Gasvolumen, welche mittels einer dehnfähigen, aber undurchlässigen Blase
bzw. Membran als Trennelement voneinander getrennt sind.
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Zur
Steuerung eines hydraulischen Systems, welches einen solchen hydraulischen
Druckspeicher aufweist, kann optional eine mit dem Druckspeicher zusammenwirkende
Einrichtung zur Messung des Drucks in diesem Speicher vorgesehen
sein. Hierbei kommen in der Regel die aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten
Druckmessverfahren zum Einsatz.
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Beispielhaft
zu nennen sind die aus der Praxis bekannten Konzepte zur absoluten
Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung. Bei diesen wird in
der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf eine
Oberfläche
aufgenommen und mit einem geeigneten Messprinzip über die daraus
resultierende Veränderung
eines elektrischen Signals ausgewertet.
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Man
unterscheidet federelastische Druckmessgeräte, wie beispielsweise Federbalg-,
Kapselfeder- oder Plattfedermanometer, so genannte Flüssigkeitsmanometer,
Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresistiven
oder Dehnungsmessstreifenprinzip und unmittelbare elektrische Druckmessumformer,
wie beispielsweise auf Druck reagierende Transistoren, Dioden, Schwingquarze
oder nach dem Prinzip der akustischen Wellen ansprechende Drucksensoren.
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Diesen
bekannten Prinzipien auf Basis elektromechanischer Messverfahren
wohnt der gemeinsamen Nachteil inne, dass sich aufgrund von mechanischen
Beanspruchungen, welche insbesondere durch wechselnde Spannungen
im Werkstoff hervorgerufen werden, welche wiederum aus Temperatur- und
Druckänderungen
selbst resultieren, ein relativ hoher Verschleiß nicht vermeiden lässt und
daher die diese Messprinzipien umsetzenden Sensoren nicht die nötige Langzeitstabilität aufweisen.
Ein Austausch derartiger Komponenten in hydraulischen Systemen ist
daher in der Praxis die Regel, was die Kosten erhöht und die
Zuverlässigkeit
derartiger Systeme grundsätzlich
nachteilig beeinflusst.
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Ein
Vorteilhaftes Messverfahren beruht auf der Änderung der Permittivität eines
Stoffes, welche als physikalische Größe die Durchlässigkeit
dieses Stoffes für
elektrische Felder angibt.
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Über entsprechende
Auswerte-Algorithmen bzw. -schaltungen, welche die gegebenen physikalischen
Zusammenhänge
berücksichtigen,
lassen sich die unterschiedlichsten physikalischen Eigenschaften
von Materialien messen, u. a. auch der jeweils vorherrschende Druck.
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Derartige
Systeme sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 05 260 A1 oder
der deutschen Patentschrift
DE
43 42 505 C1 bekannt. In diesen sind Messverfahren beschrieben, mit
Hilfe welchen die physikalischen Eigenschaften von festen Stoffen,
insbesondere der Dichte, ermittelt werden kann, indem diese Stoffe
mit einem Hochfrequenz-Resonator
zusammenwirken und dann die hochfrequenten Signaländerungen
ausgewertet werden, wobei die Resonanzverschiebung und eine dadurch
bewirkte Veränderung
der Dielektrizitätskonstante
dieser Stoffe als Messgröße weiter
verarbeitet wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung
des Druckes in einem hydropneumatischen Speicher nach der eingangs
definierten Art insbesondere bezüglich
der Zuverlässigkeit
der Druckmessung und der Robustheit des Systems weiterzuentwickeln.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß ist eine
Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in einem hydropneumatischen
Druckspeicher, bestehend aus einem Gasvolumen und einem von diesem über ein
dehnfähi ges Trennelement
getrennten Flüssigkeitsvolumen,
vorgesehen, wobei als Drucksensor ein Hochfrequenz-Resonator mit
einem Medium als Messvolumen zum Einsatz kommt, welches Medium mit
dem Gasvolumen des Druckspeichers druckleitend in Verbindung steht
und mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt wird,
um eine durch eine Druckänderung
in dem Medium bewirkte Permittivitätsänderung zu detektieren. Letztere
wird dann über eine
entsprechende Signalauswertung mit dem entsprechenden Druck in Verbindung
gesetzt.
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Das
gemäß der Erfindung
bei einem hydropneumatischen Druckspeicher zur Anwendung kommende
Messprinzip mittels eines Hochfrequenz-Resonators zeichnet sich
durch eine hohe Zuverlässigkeit
und große
Robustheit gegen Überlastung
bei Druckspitzen aus, da keinerlei mechanisch bewegliche Teile vorhanden
sind.
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Der
zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Messverfahrens
bei einem Druckspeicher zum Einsatz kommende Hochfrequenz-Resonator ist vorzugsweise
aufgebaut wie in der nicht veröffentlichten deutschen
Patentanmeldung DE 10 2004 002 136 beschrieben, auf welche hier
vollinhaltlich Bezug genommen wird. Auf die einzelnen Ausführungsformen und
die Funktionsweise des Hochfrequenz-Resonators soll daher hier nicht
weiter eingegangen werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung dient
das Gasvolumen des Druckspeichers, welches von dem Flüssigkeitsvolumen
durch das vorhan dene Trennelement, beispielsweise eine Membran oder eine
Blase, getrennt ist, selbst als das definierte Messvolumen für den Hochfrequenz-Resonator.
Mit anderen Worten, das Gasvolumen des hydropneumatischen Druckspeichers
bildet das Arbeitsgas bzw. Arbeitsmedium des Hochfrequenz-Resonators
und wird dementsprechend einer hochfrequenten Wechselspannung ausgesetzt.
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Dadurch
vereinfacht sich die Konstruktion und Ausbildung des Hochfrequenz-Resonators
als Drucksensor, was die Signalerzeugung und -auswertung am Resonator
ebenfalls vereinfacht, da für
den Hochfrequenz-Resonator kein zusätzliches Medium als Messvolumen
benötigt
wird.
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Die
Permittivitätsänderung
mittels eines solchen Hochfrequenz-Resonators funktioniert nach dem
Prinzip, bei welchem für
den Messvorgang das Messvolumen des Resonators, welches in einer
Ausführungsform
das Gasvolumen des Druckspeichers selbst oder in einer anderen Ausführungsform
ein separates Messvolumen, welches mit dem Gasvolumen des Druckspeichers
in Verbindung steht, sein kann, mittels beispielsweise eines in
einer Oszillatorschaltung erzeugten Hochfrequenzsignals elektrisch angeregt
wird. Mit geeigneten Auswerteverfahren kann dann der Wert für die relative
Permittivität
aus der Resonanzfrequenz oder anderen vergleichbaren elektrischen
Parametern, wie beispielsweise die Änderung der reflektierten Spannung
nach Betrag und Phase, die Änderung
der übertragenen
Spannung nach Betrag und Phase oder auch die elektrische Laufzeit
der Signale selbst, ermittelt werden.
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Die
Verwendung eines Hochfrequenz-Resonators als Drucksensor zur Ermittlung
des Drucks in einem hydropneumatischen Druckspeicher zeichnet sich
weiter dadurch aus, dass Einflussgrößen wie die Temperatur oder
die Luftfeuchtigkeit, welche unter Umständen einen verfälschenden
Einfluss auf das Auswerteverfahren ausüben, durch entsprechende Auswerte-Algorithmen
aufgenommen und korrigiert werden können.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
soll insbesondere für
hydropneumatische Druckspeicher zum Einsatz kommen, welche in hydraulischen
Fahrzeugsystemen verwendet werden, beispielsweise für Druckluft-Bremsanlagen
bei Nutzfahrzeugen. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz in reinen
Druckluftanlagen ohne hydraulische Komponenten.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes gemäß der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Zeichnung
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
einen Querschnitt durch einen hydropneumatischen Blasenspeicher
mit einem Drucksensor in einer ersten Ausführungsform;
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2 schematisch
einen Querschnitt durch diesen hydropneumatischen Blasenspeicher
mit einem Drucksensor in einer zweiten Ausführungsform; und
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3 schematisch
im Querschnitt einen hydropneumatischen Membranspeicher, bei welchem ein
Gasvolumen Bestandteil eines Hochfrequenz-Resonators ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
stark schematisch im Querschnitt ein als Blasenspeicher ausgebildeter
hydropneumatischer Druckspeicher 1 mit einem Gehäuse 2 gezeigt,
wobei innerhalb des Gehäuses 2 ein
Gasvolumen 3 in einem blasenförmigen Gebilde 4 aus
einem dehnbaren Material aufgenommen und mittels des blasenförmigen Gebildes 4,
welches ein dehnfähiges Trennelement
darstellt, von einem Flüssigkeitsvolumen 5 in
dem Gehäuse 2 getrennt
ist.
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Das
Gasvolumen 3 steht mit einem Füllstutzen 7 in Verbindung,
welcher zur einmaligen Beaufschlagung mit Gas, meist in Form von
Luft oder Stickstoff, auf einen in der Regel vergleichsweise niedrigen
Vorspanndruck dient.
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Die
eigentliche Beaufschlagung mit dem zu speichernden Arbeitsdruck
erfolgt über
einen mit einem hydraulischen System 16 verbundenen Anschlussstutzen 6.
Das Flüssigkeitsvolumen 5 steht ebenfalls über den
Anschlussstutzen 6 und ein diesen öffnendes oder schließendes Ventil 15 mit
dem hydraulischen System 16 in Verbindung, an welches der
gespeicherte Druck abgegeben werden soll.
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In
der in 1 gezeigten Ausführungsform des Blasenspeichers 1 ist
ein kompakter Drucksensor als Hochfrequenz-Resonator 8 in einer Öffnung 9 in
dem Gehäuse 2 des
Blasenspeichers 1 druck- und gasdicht eingesetzt, wobei
die Öffnung 9 derart
an dem Gehäuse 2 des
Blasenspeichers 1 angeordnet ist, dass ein unmittelbarer
Kontakt zwischen dem Hochfrequenz-Resonator 8 und dem Gasvolumen 3 ausgebildet
ist. Hierzu durchtritt der Hochfrequenz-Resonator 8 nicht
nur die in einem an das blasenförmige
Gebilde 4 grenzenden Bereich angeordnete Öffnung 9 des
Gehäuses 2,
sondern auch das dehnfähige
Material des blasenförmigen
Gebildes 4, welches das Gasvolumen 3 umgibt.
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In
einer anderen, in der 2 gezeigten Ausführungsform,
bei der die Gestaltung des hydropneumatischen Druckspeichers im
Wesentlichen der des in 1 gezeigten Blasenspeichers 1 entspricht, ist
zur Erzielung einer gegenüber
der Lösung
der 1 leichteren Handhabbarkeit und Montage einerseits
und noch höheren
Sicherheit andererseits der Hochfrequenz-Resonator 8 in einer Öffnung 10 eingesetzt,
welche in dem Füllstutzen 7 vorgesehen
ist.
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Die
Anordnung des Hochfrequenz-Resonators 8 ist dabei derart
gewählt,
dass der Hochfrequenz-Resonator 8 und damit sein Messvolumen über einen
Leitungskanal 17 des Füllstutzens 7 mit dem
Gasvolumen 3 in druckleitender Verbindung steht.
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In 3 ist
als Ausführungsvariante
für einen
hydropneumatischen Druckspeicher ein Membranspeicher 11 gezeigt.
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Der
Membranspeicher 11 weist ebenfalls ein Gasvolumen 3 und
ein Flüssigkeitsvolumen 5 auf, welche
voneinander durch eine in einem Gehäuse 18 des Membranspeichers 11 druckdicht
und gas- bzw. fluiddicht angeordnete Membran 12, welche
ein dehnfähiges
Trennelement bildet, getrennt sind.
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Analog
den Ausführungen
nach 1 und 2 steht das Gasvolumen 3 mit
einem Füllstutzen 19 und
das Flüssigkeitsvolumen 5 mit
einem Anschlussstutzen 20 in Verbindung.
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Wie
zu erkennen ist, ist in einer Öffnung 13 in dem
Gehäuse 18 des
Membranspeichers 11 ein Drucksensor 14 eingesetzt.
Dieser Drucksensor 14 bildet einen Bestandteil eines Hochfrequenz-Resonators
zur Druckmessung des Drucks des Gasvolumens 3.
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Der
Hochfrequenz-Resonator selbst wird gemäß der Erfindung aus diesem
Drucksensor 14 und dem Gasvolumen 3 selbst gebildet,
das in der vorliegenden Ausführungsform
als das Messvolumen für das
mittels des Hochfrequenz-Resonators durchzuführende Messverfahren dient,
welches die Permittivitätsänderung
in dem Gasvolumen 3 ermittelt, nachdem dieses einer Hochfrequenz-Wechselspannung ausgesetzt
wurde.
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Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass der Drucksensor 14 wesentlich einfacher
aufgebaut werden kann, da kein zusätzliches Messvolumen in dem
Drucksensor 14 vorgesehen werden muss, sondern vielmehr
das Gasvolumen 3 des Membranspeichers 11 selbst
als das Messvolumen für
das hier zur Anwendung kommende Messprinzip dienen kann.
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Hierbei
wird gemäß der Erfindung
bei dieser Ausführungsform
die Geometrie des Gehäuses 18 des
Membranspeichers 11 so gewählt, dass sich ein entsprechendes
Resonanz-Verhalten für
den Hochfrequenz-Resonator erzielen lässt. Ebenso wird die Auswerteschaltung
für die
Signale auf die gegebene Geometrie angepasst.