DE102008041737A1

DE102008041737A1 - Vorrichtung und Verfahren zur dynamischen Durchflussmessung

Info

Publication number: DE102008041737A1
Application number: DE200810041737
Authority: DE
Inventors: Gerhard Freischlag; Gerd Jacobs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines Mediums (13) durch ein zu prüfendes Bauteil (2), umfassend eine Aufnahmevorrichtung (8) zur Aufnahme des zu prüfenden Bauteils (2), ein Hydrauliksystem (3) zum Zuführen des Mediums (13) zu dem zu prüfenden Bauteil (2), eine Waage (4), welcher das Medium (13) nach einem Durchströmen des zu prüfenden Bauteils (2) für eine Masseerfassung zugeführt wird, wobei dei Waage (4) eine Vielzahl von Massesignalen erzeugt, eine Zeiterfassungsvorrichtung (5), welche jeweils zu einem Massesignal ein zugehöriges Zeitsignal erzeugt, und einen Rechner (6), welcher ausgelegt ist, basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitsignale kontinuierlich Werte für einen Massendurchfluss durch das zu prüfende Bauteil (2) zu berechnen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Massedurchflusses durch einen Prüfling.
Beispielsweise bei der Fertigung von Einspritzdüsen, Drosseln und Ventilen wird insbesondere zur Qualitätssicherung auch ein Massedurchfluss durch das jeweilige Bauteil überprüft. Dies ist von besonderem Interesse, da schon geringste Maßabweichungen derartiger Bauteile zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch im Fahrzeug führen können. Üblicherweise wird hierbei eine Messung nach dem sogenannten Coriolis-Verfahren verwendet. Hierbei wird ein Messrohr, in welchem das Fluid fließt, in Schwingung versetzt. Durch das strömende Fluid wird dabei die Schwingungsbewegung des Messrohrs beeinflusst, wodurch ein Massedurchfluss durch das Messrohr bestimmt werden kann. Da jedoch der Rohrleitungsabschnitt in Schwingung versetzt werden muss, ergibt sich bei derartigen Messgeräten ein relativ aufwendiger Aufbau. Es wäre daher wünschenswert, insbesondere bei Durchflussprüfständen zur Überprüfung eines Massedurchflusses bei Bauteilen eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zu haben.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung eines Massedurchflusses durch ein zu prüfendes Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Vorrichtung eine dynamische Methode zur Bestimmung des Massedurchflusses ermöglicht. Insbesondere kann erfindungsgemäß mittels der Vorrichtung zu einem beliebigen Zeitpunkt mit der Messung begonnen werden, wobei dann bis zu einem gewünschten Ende der Messung kontinuierlich Messdaten erfasst und ausgewertet werden können. Ferner ermöglicht die Vorrichtung eine Rückführung auf die SI-Einheit ”Masse”. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine Aufnahmevorrichtung für ein zu prüfendes Bauteil, ein Hydrauliksystem zum Zuführen eines Mediums zu dem zu prüfenden Bauteil, eine Waage, eine Zeiterfassungsvorrichtung und einen Rechner umfasst. Der Waage wird nach einem Durchströmen des zu prüfenden Bauteils das Medium für eine Masseerfassung zugeführt, wobei die Waage eine Vielzahl von Massesignalen erzeugt. Die Zeiterfassungsvorrichtung erzeugt jeweils zu einem Massesignal ein zugehöriges Zeitsignal. Der Rechner ist dann derart ausgelegt, dass basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitsignale kontinuierlich Werte für einen Massedurchfluss berechnet werden. Vorzugsweise werden die Werte dann in einer Ausgabeeinrichtung, wie beispielsweise einem Bildschirm in Form einer Kurve dargestellt. Erfindungsgemäß kann somit kontinuierlich ein Massendurchfluss durch ein zu prüfendes Bauteil berechnet werden. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Kalibrierung und Überprüfung von Durchflussmessern, zur Überprüfung von hergestellten Bauteilen, wie z. B. Drosseln, Ventilen, Einspritzdüsen usw., oder zur Überprüfung von Prüfständen verwendet werden. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung relativ einfach und kostengünstig aufgebaut ist, kann insbesondere auf kostenintensive Coriolis-Messgeräte verzichtet werden. Da erfindungsgemäß ferner zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Messung gestartet bzw. zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder gestoppt werden kann, treten ferner keine bei statischen Messungen, welche einen Massedurchfluss nur durch Erfassung eines am Ende der Messung auftretenden Endmassewertes und der zugehörigen Zeit, vorkommenden Probleme auf, welche insbesondere durch den Einschaltvorgang bzw. nach einer gewünschten Beendigung der Messung durch nachtropfendes Medium u. Ä. verursacht werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Umschaltvorrichtung auf, welche im Hydrauliksystem in Strömungsrichtung nach dem zu prüfenden Bauteil angeordnet ist, und welche das durch das zu prüfende Bauteil hindurchgeströmte Medium auf die Waage umleitet. Vorzugsweise ist die Umschaltvorrichtung dabei mit der Waage und der Zeiterfassungsvorrichtung verbunden, so dass mit dem Umschaltvorgang gleichzeitig auch eine Masseerfassung und eine Zeiterfassung beginnt.
Um eine Impulsübertragung bei einem Auftreffen des Mediums auf die Waage bzw. auf eine Medienoberfläche in der Waage zu dämpfen, umfasst die Vorrichtung ferner vorzugsweise ein Dämpfungsbauteil. Vorzugsweise ist das Dämpfungsbauteil in einem auf der Waage angeordneten Aufnahmegefäß angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Dämpfungsbauteil mit einer Wabenstruktur oder einer porösen Struktur versehen, so dass eine sehr gute Dämpfung möglich ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner eine Taktgebereinrichtung, um während des Messzeitraums einen Takt zur Erfassung von Masse- und Zeitsignalen jeweils innerhalb vorbestimmter Abstände zu ermöglichen. Vorzugsweise wird der Takt dabei sehr klein gewählt, z. B. 0,1 Sekunden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung eines Massedurchflusses durch ein zu prüfendes Bauteil wird das Medium durch das zu prüfende Bauteil hindurchgeleitet und dann der Medienstrom auf eine Waage geleitet. Die Waage ermöglicht dann ein kontinuierliches Erfassen einer Masse des durch das zu prüfende Bauteil geströmten Mediums und gleichzeitig wird auch zu jedem erfassten Massewert ein zugeordneter Zeitwert erfasst. Anschließend wird mittels eines Rechners ein Massenstrom durch das zu prüfende Bauteil, basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitwerte kontinuierlich berechnet. Hierdurch kann eine dynamische Durchflussmessung ausgeführt werden.
Zeichnung
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung eines Massedurchflusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 ein Diagramm, welches die erfasste Masse über der Zeit sowie den berechneten Massestrom darstellt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Messung eines Massedurchflusses eines Mediums 13 durch ein zu prüfendes Bauteil 2 eine Aufnahmevorrichtung 8, welche das zu prüfende Bauteil 2 in einem Hydrauliksystem 3 fixiert. Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Hydrauliksystem 3 dabei einen Tank 9, eine Pumpe 10 und eine Umschaltvorrichtung 7, welche ein Umschalten zwischen zwei Positionen ermöglicht. Eine erste Position der Umschaltvorrichtung 7 ermöglicht dabei einen Kreislauf des Mediums vom Tank 9 über die Pumpe 10, durch das zu prüfende Bauteil 2 und zurück in den Tank und eine zweite Position ermöglicht eine Strömung des Mediums zu einer Waage 4. Dies ist in 1 mit dem Pfeil B angedeutet, wobei der Pfeil A eine Förderrichtung des Mediums vom Tank zum zu prüfenden Bauteil 2 darstellt.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner die Waage 4, auf welcher ein Behälter 11 angeordnet ist, der das zugeführte Medium sammelt. Im Behälter 11 ist ein Dämpfungsbauteil 12 in Form eines Wabenstrukturbauteils angeordnet, welches eine Impulsübertragung bei einem Auftreffen des Mediums auf eine Medienoberfläche im Behälter 11 dämpft. Das Medium wird durch die Wabenstruktur des Dämpfungsbauteils 12 geführt und kann somit fast ohne Impulsübertragung in den Behälter 11 zugeführt werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Uhr 5 sowie einen Rechner 6. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Waage 4 und die Uhr 5 mit dem Rechner 6 verbunden, um eine Signalübertragung zu ermöglichen.
Sobald das Medium 13 durch Umschalten der Umschaltvorrichtung 7 der Waage 4 zugeführt wird, führt die Waage 4 kontinuierlich einen Wägevorgang durch, und erzeugt kontinuierlich eine Vielzahl von Massesignalen, welche dem Rechner 6 übermittelt werden. Gleichzeitig erzeugt die Uhr 5 jeweils zu jedem Massesignal ein zugehöriges Zeitsignal, welches ebenfalls dem Rechner 6 übermittelt wird. Der Rechner 6 berechnet dann basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitsignale kontinuierlich Werte für einen Massedurchfluss durch das zu prüfende Bauteil 2. Eine Berechnung eines Massedurchflusswertes m . erfolgt dabei mittels der Gleichung m . = (m(tn) – m(tn-1))/(tn – tn-1),wobei m . der Massedurchfluss ist, m(t_n) eine ermittelte Masse zum Zeitpunkt t_n ist, m(t_n-1) eine ermittelte Masse zum Zeitpunkt t_n-1 ist, t_n ein zweiter Zeitpunkt und t_n-1 ein erster Zeitpunkt, welcher nach dem zweiten Zeitpunkt t_n liegt.
Durch die Vielzahl der aus Masse- und Zeitsignalen berechneten Massedurchflusswerte kann somit, wie in 2 gezeigt, ein Massedurchfluss m . über die Zeit (in Sekunden) angegeben werden. In 2 ist dies durch die Kurve C angegeben. Ferner ist in dem Diagramm von 2 auch eine Kurve D angegeben, welche die Entwicklung der Massewerte m (in Gramm) über der Zeit t darstellt.
Erfindungsgemäß kann somit eine dynamische Messung einer Durchflussmenge durch ein zu prüfendes Bauteil 2 durchgeführt werden, wobei nach einer kurzen Einschwingphase (linker Bereich von 2) durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ein Massendurchfluss kontinuierlich angezeigt werden kann. Im dargestellten Beispiel von 2 würde ein Massendurchfluss Q circa 673 g/min betragen. Versuche haben dabei ergeben, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Genauigkeit mit Standardabweichungen von < 0,03% erreicht. Das Messergebnis wird erfindungsgemäß dabei nicht durch eine Umschaltgeschwindigkeit der Umschaltvorrichtung 7 oder eventuell nach einer gewünschten Beendigung der Messung noch nachtropfendes Medium beeinflusst, da dieser Zeitraum nicht mehr für die Berechnung des Massendurchflusses betrachtet wird. Es sei ferner angemerkt, dass für eine Verringerung des Rauschens auch ein Ausgabewert der Waage 4 intern gefiltert werden kann und in einen gleitenden Mittelwert überführt werden kann. Hierdurch kann eine weitere Glättung des Massewertes erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere zur Kalibrierung und Überprüfung von Durchflussmessern oder zur Überprüfung von Bauteilen, insbesondere in Hydrauliksystemen von Fahrzeugen oder für die Kraftstoffeinspritzung, verwendet.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines Massendurchflusses eines Mediums (13) durch ein zu prüfendes Bauteil (2), umfassend – eine Aufnahmevorrichtung (8) zur Aufnahme des zu prüfenden Bauteils (2), – ein Hydrauliksystem (3) zum Zuführen des Mediums (13) zu dem zu prüfenden Bauteil (2), – eine Waage (4), welcher das Medium (13) nach einem Durchströmen des zu prüfenden Bauteils (2) für eine Masseerfassung zugeführt wird, wobei die Waage (4) eine Vielzahl von Massesignalen erzeugt, – eine Zeiterfassungsvorrichtung (5), welche jeweils zu einem Massesignal ein zugehöriges Zeitsignal erzeugt, und – einen Rechner (6), welcher ausgelegt ist, basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitsignale kontinuierlich Werte für einen Massendurchfluss durch das zu prüfende Bauteil (2) zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Umschaltvorrichtung (7), welche in dem Hydrauliksystem (3) in Strömungsrichtung nach dem zu prüfenden Bauteil (2) angeordnet ist, und welche ein durch das zu prüfende Bauteil (2) hindurchgeströmtes Medium (13) auf die Waage (4) umleitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Aufnahmegefäß (11), in welchem ein Dämpfungsbauteil (12) angeordnet ist, wobei das Aufnahmegefäß (11) auf der Waage (4) angeordnet ist und das durch das zu prüfende Bauteil (2) hindurchgeströmte Medium (13) durch das Dämpfungsbauteil (12) in das Aufnahmegefäß (11) zugeführt wird, um eine Impulsübertragung bei einem Auftreffen des Mediums auf eine Medienoberfläche im Aufnahmegefäß (11) zu dämpfen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsbauteil (12) eine Wabenstruktur oder eine poröse Struktur aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Taktgebereinrichtung, um Masse- und Zeitsignale jeweils in vorbestimmten Abständen zu erfassen.
Verfahren zur Messung eines Massedurchflusses durch ein zu prüfendes Bauteil (2), umfassend die Schritte: – Durchleiten eines Mediums (13) durch das zu prüfende Bauteil (2), – Leiten des durch das zu prüfende Bauteil (2) geführte Medium auf eine Waage (4), – kontinuierliches Erfassen eines Massewertes des Mediums mittels der Waage (4) und gleichzeitiges Erfassen einer zu jedem erfassten Massewert zugeordneten Zeitwert mittels einer Zeiterfassungsvorrichtung (5), und – Berechnen eines Massestroms mittels eines Rechners (6), basierend auf einer Masse- und Zeitdifferenz zweier Wertepaare der Masse- und Zeitwerte.