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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die geeignet ist zur Ermittlung
einer Pegeländerung
einer Flüssigkeitsmenge
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Vorrichtung ist aus der
DE 35 37 192 A1 bekannt. Dort wird eine Messanordnung zum
Messen der Veränderung
einer Flüssigkeitsfüllmenge
offenbart, die einen Messraum aufweist, der über eine Flüssigkeitsausgleichsleitung
mit einem Speicherraum in kommunizierender Verbindung steht und
zudem eine Druckausgleichsleitung aufweist, die den Messraum mit
dem Speicherraum oberhalb des Flüssigkeitsniveaus
verbindet. Im Messraum emittiert eine Niveaumessvorrichtung elektromagnetische
Wellen oder Schallwellen in Richtung der Flüssigkeit und ermittelt über deren Laufzeit
das Flüssigkeitsniveau. Über die
Differenz unterschiedlicher Niveaus zu unterschiedlichen Messzeitpunkten
kann auf eine Pegeländerung
der Flüssigkeitsmenge
geschlossen werden.
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Diese
Messmethode ist stark abhängig
von der Temperatur im Messraum und bedarf daher bei der Messung
der Berücksichtigung
der aktuellen Temperatur im Messraum.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
alternative Vorrichtung zur exakteren Ermittlung von Pegeländerungen
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist der
hydrostatische Druck der Flüssigkeit
im Messraum mittels eines Drucksensors sensierbar. Über eine Änderung
des hydrostatischen Drucks kann auf eine Pegeländerung im Messraum geschlossen
werden. Somit kann durch zeitlich beabstandete Messungen des Flüssigkeitspegels
eine Pegeländerung
ermittelt werden.
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Einsetzbar
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielsweise für
die stationäre
Ermittlung des Ölverbrauchs
eines Verbrennungsmotors.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erhöhung der Genauigkeit der Messergebnisse
die Flüssigkeitsausgleichsleitung
und der Messraum auf die Temperatur der Flüssigkeit im Speicherraum aufheizbar.
Dadurch wird gewährleistet,
dass die Flüssigkeitstemperatur
im Messraum gleich der Flüssigkeitstemperatur
im Speicherraum ist. Wenn die Flüssigkeitstemperatur
bei zwei Pegelmessungen konstant ist, ist auch die Dichte ρ der Flüssigkeit
konstant, so dass aus der Formel für den hydrostatischen Druck Phydr.stat = ρ·g·hunter
Annahme einer konstanten Gravitationskraft g eine Pegeländerung
wie folgt errechenbar ist: Δh = h1 – h2 = (1/ρ·g)·(phydr.stat,1 – phydr.stat,2)
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Hierbei
ist:
- Phydr.stat,x:
- hydrostatischer Druck
der Flüssigkeit zum
Zeitpunkt der Messung x
- hx:
- Pegelhöhe zum Zeitpunkt
der Messung x
- g:
- Gravitationskonstante
- ρ:
- Dichte der Flüssigkeit
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Nach
der Gesetzmäßigkeit
der kommunizierenden Röhren
und aufgrund der konstanten Dichte der Flüssigkeit im Speicherraum, der
Flüssigkeitsverbindungsleitung
und dem Messraum entspricht eine Pegeländerung im Messraum einer Pegeländerung im
Speicherraum. Bei Kenntnis der Geometrie des Speicherraums im Bereich
der Pegeländerung
ist das Differenzvolumen der Flüssigkeit
im Speicherraum bestimmbar.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung steht der Drucksensor im Boden
des Messraums direkt mit der Flüssigkeit
in Kontakt. Hierdurch kann der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule innerhalb
des Messraums sehr exakt bestimmt werden, da keine störenden Einflüsse wie
beispielsweise Reibung zwischen Messraum und Drucksensor bei der
Druckermittlung auftreten.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Messraum mittels
eines Druckaufnehmers gegenüber
der Umgebung abgestützt.
Damit ist der Druck auf den Druckaufnehmer sensierbar, der vom Messraum
und von der jeweils im Messraum vorhandenen Flüssigkeit auf den Druckaufnehmer ausgeübt wird.
Da die Masse des Gehäuses
des Messraums während
verschiedener Messungen konstant ist, ist eine Druckänderung
ausschließlich
auf unterschiedliche Pegelstände
der Flüssigkeit
im Messraum zurückzuführen.
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Vorteilhaft
ist bei dieser Ausführungsform, dass
der Druckaufnehmer nicht in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit
gelangt und somit auch Pegeländerungen
von Flüssigkeiten
mit aggressiven, wie zum Beispiel ätzenden Eigenschaften detektiert
werden können.
Derartige Flüssigkeiten
könnten
bei direktem Kontakt den Drucksensor zerstören.
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Nachfolgend
wird anhand der Zeichnung die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eine erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten
Ausführungsform
mit in den Messraum integriertem Druckaufnehmer und
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2 eine
Detailansicht auf den Messraum in einer zweiten Ausführungsform
mit externem Druckaufnehmer.
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Gleiche
oder gleichwirkende Bauteile sind in den beiden Figuren mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in 1 weist
einen Speicherraum 10 auf, der beispielsweise als eine
auf einem Prüfstand 5 ortsfest montierte
Brennkraftmaschine 11 ausgebildet ist. Insbesondere ist
der Speicherraum 10 in ein Kurbelgehäuse 12 und eine darunter
angeordnete, mit dem Kurbelgehäuse 12 verbundene Ölwanne 13 aufgeteilt.
In der Ölwanne 13 befindet
sich eine Flüssigkeit 15,
insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit
wie beispielsweise ein Hydrauliköl,
das der Schmierung und/oder Kühlung
der Brennkraftmaschine 12 dient.
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Horizontal
neben dem Speicherraum 10 ist ein Messraum 20 ebenfalls
ortfest am Prüfstand 5 angeordnet.
Der Messraum 20 ist als Messkolben 21 mit zylindrischem
Querschnitt ausgebildet. Andere rohrförmigen Querschnitte sind jedoch
prinzipiell auch möglich.
Der Messkolben 21 ist mit Isolationsmaterial 22 ummantelt
und mit Heizelementen 23 versehen.
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Über eine
unterhalb des Flüssigkeitsniveaus 30 liegende
Flüssigkeitsausgleichsleitung 35 steht der
Messraum 20 mit dem Speicherraum 10 in kommunizierender
Verbindung. Auch die Flüssigkeitsausgleichsleitung 35 ist
mit Isolationsmaterial 36 ummantelt und mit Heizelementen 37 versehen.
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Zudem
ist der Speicherraum 10 mit dem Messraum 20 über eine
Druckausgleichsleitung 40 verbunden. Die Anschlüsse 41 dieser
Druckausgleichsleitung 40 am Speicherraum 10 und
am Messraum 20 liegen oberhalb des Flüssigkeitsniveaus 30, so
dass der Druck im Speicherraum 10 oberhalb der Flüssigkeit 15 zu
dem Druck oberhalb der Flüssigkeit 15 im
Messraum 20 ausgeglichen ist.
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Die
Heizelemente 23,37 der Flüssigkeitsausgleichsleitung 35 und
des Messraums 20 sind über Ansteuerleitungen 48 mit
einem Steuergerät 45 verbunden,
welches wiederum über
eine Signalleitung 49 mit einem Temperatursensor 47 verbunden
ist, der die Temperatur der Flüssigkeit 15 im
Speicherraum 10 erfasst. Über eine regelbare Endstufe 46 am
Steuergerät 45 können die
Heizelemente 23,37 des Messraums 20 und
der Flüssigkeitsausgleichsleitung 35 derart
angesteuert werden, dass die Flüssigkeit 15 sowohl
im Messraum 20 als auch in der Flüssigkeitsausgleichsleitung 35 stets
die gleiche Temperatur aufweist wie die Flüssigkeit 15 im Speicherraum 10.
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Das
Steuergerät 45 kann über eine
Datenleitung 50 mit einer weiteren, in 1 nicht
dargestellten Prüfstandsteuerung
verbunden sein, die beispielsweise den Betrieb der Brennkraftmaschine 11 steuern
bzw. regelt. Über
eine derartige Datenleitung 50 können auch Ergebnisse eines
Versuchs zur Ermittlung einer Flüssigkeitsdifferenz
ausgelesen und anderweitig verarbeitet bzw. dargestellt werden.
Ein derartiger Versuch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird
später
noch beschrieben.
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Aufgrund
des Druckausgleichs zwischen Speicherraum 10 und Messraum 20 und
der konstanten Temperatur der Flüssigkeit 15 innerhalb
der Vorrichtung 1 weist die Flüssigkeit 15 innerhalb
der Vorrichtung 1 eine konstante Dichte ρ auf. Zudem
ist das Flüssigkeitsniveau 30 im
Messraum 20 stets gleich dem Flüssigkeitsniveau 30 im
Speicherraum 10.
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In
den Boden 24 des Messraums 20 ist ein Drucksensor 25 integriert, über den
der hydrostatische Druck, den die Flüssigkeitssäule 31 im Messraum 20 auf
den Drucksensor 25 ausübt,
sensierbar ist. Dieser Druck ist bei konstanten Randbedingungen,
wie beispielsweise bei konstanter Flüssigkeitstemperatur im Messraum 20 und
konstanter Gravitationskonstanten, direkt proportional zur Höhe der Flüssigkeitssäule 31.
Der Drucksensor 25 ist über eine
Signalleitung 49 mit dem Steuergerät 45 verbunden.
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In 2 ist
ein Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
In dieser Ausführungsform
ist der Messraum 20 mittels eines Gleitlagers 6 vertikal
verschieblich gegenüber
einer ortsfesten Halterung 7 am Prüfstand 5 gelagert.
In vertikaler Richtung erfolgt die Abstützung über einen Drucksensor 25,
der mit der Halterung 7 kraftschlüssig verbunden ist und auf
den der Messraum 20 drückt.
Prinzipiell ist auch eine Ausführungsform
mit einem an einem Drucksensor 25 aufgehängten Messraum 20 möglich.
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Infolge
einer konstanten Masse des Messraums 20 und der weiteren
oben genannten Randbedingungen sind unterschiedliche Drücke auf
den Drucksensor 25 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausschließlich auf
unterschiedliche Höhen
der Flüssigkeitssäulen 31 zurückzuführen.
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Über die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sowohl
in der in 1 als auch in der in 2 dargestellten
Ausführungsform
lassen sich Höhenänderungen
der Flüssigkeitssäulen 31 im
Speicherraum 10 über
eine Zeitabschnitt hinweg messen. Damit ist beispielsweise ein Verbrauch
der Flüssigkeit 15 beispielsweise
durch Verdunstung detektierbar.
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Im
Weiteren wird nun ein Verfahren beschrieben, mit dem mittels der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 der
Verbrauch eines Öls
in einer Brennkraftmaschine ermittelt werden kann.
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Die
zu untersuchende Brennkraftmaschine 11 bzw. deren Ölwanne 13 als
Speicherraum 10 wird mit Öl 15 gemäß vorgegebener
Untersuchungsbedingungen befüllt.
Danach wird die Brennkraftmaschine 11 in Betrieb genommen.
Die jeweiligen Untersuchungsbedingungen können beispielsweise vorsehen,
die Brennkraftmaschine 11 mit einer bestimmten Menge Öl 15 zu
befüllen,
die der Hersteller der Brennkraftmaschine 11 vorgibt. Es
kann aber auch eine größere oder
kleinere Ölmenge
sein, um den Einfluss der Mehr- bzw. Mindermenge auf das Verhalten
der Brennkraftmaschine 11 sowie deren jeweiligen Ölverbrauch
zu ermitteln.
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Nach
Inbetriebnahme wird die Brennkraftmaschine 11 in einem
so genannten Beharrungszustand betrieben. Ein derartiger Beharrungszustand
ist gekennzeichnet durch eine konstante Drehzahl einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine 11, einen konstanten Öldruck in
der Brennkraftmaschine 11 und konstante Druckverhältnisse
im Speicherraum 10, im Messraum 20 sowie in den
Druck- und Flüssigkeitsausgleichleitungen 35, 40.
Des Weiteren sind im Beharrungszustand die Öl- und die Kühlwassertemperatur
in der Brennkraftmaschine 11 konstant.
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Während des
Beharrungszustands stellt sich infolge der zuvor genannten konstanten
Randbedingungen durch konstante Ölentnahme
und konstanten Ölrückfluss
ein konstantes Flüssigkeitsniveau 30 in der Ölwanne 13 der
Brennkraftmaschine 11 ein, wodurch sich im Messraum 20 ebenfalls
ein konstantes Flüssigkeitsniveau 30 einstellt.
Mittels des Drucksensors 25 im Messraum 20 wird
in einer ersten Messung der von der Säulenhöhe des Öls im Messraum 20 abhängige hydrostatische
Druck ermittelt. Die Brennkraftmaschine 11 bleibt im Beharrungszustand.
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Nach
Verstreichen einer bestimmten Zeit wird die zuvor beschriebene Messung
erneut durchgeführt.
Der dabei gemessene hydrostatische Druck wird von dem in der vorherigen
Messung ermittelten hydrostatischen Druck subtrahiert. Über die
Druckdifferenz wird mit der oben angegebenen Formel die Differenz
der Säulenhöhe Δh errechnet.
Mit Kenntnis der Querschnittsgeometrie der Ölwanne 13 im Bereich
der Pegeländerung
kann das Ölvolumen
berechnet werden, welches zwischen den beiden Messungen von der
Brennkraftmaschine 11 verbraucht wurde. Alternativ kann
die Ermittlung der verbrauchten Ölmenge über ein
Nachdosieren der verbrauchten Menge erfolgen. Dabei wird exakt soviel Öl von einem
nicht dargestellten Vorratsspeicher in die Ölwanne gegeben bis die Säulenhöhe in der Ölwanne und
im Messraum das ursprüngliche
Niveau wieder erreicht. Die nachdosierte Ölmenge entspricht dann dem
ermittelten Ölverbrauch.
Diese kann beispielsweise durch Volumen- bzw. Durchfluss- oder Gewichtsänderungsmessung
während
des Nachfüllvorgangs
ermittelt werden.
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Über den Ölverbrauch
sind Rückschlüsse auf
Dichtigkeitsprobleme innerhalb der Brennkraftmaschine 11 insbesondere
im Bereich der Kolbendichtungen möglich.