DE102009026968A1

DE102009026968A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung in einem Hochdruckbehälter mittels Ultraschallaufzeitmessung

Info

Publication number: DE102009026968A1
Application number: DE102009026968A
Authority: DE
Inventors: Juergen Graf; Janpeter Wolff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Eine Vorrichtung (4) zur Druckmessung in einem Hochdruckbehälter (1) umfasst einen ultraschallleitenden Verformungskörper (5), der mit einem freien Ende (6) in einen Druckraum (2) des Hochdruckbehälters (1) hineinragt und der entsprechend dem im Druckraum (2) herrschenden Druck verformt bzw. gestaucht wird, einen Ultraschallsender (7) zur Erzeugung eines den Verformungskörper (5) in Richtung (8) auf das freie Ende (6) des Verformungskörpers (5) durchlaufenden Ultraschallsignals (9) und einen Ultraschallempfänger (10) zum Empfang des am freien Ende (6) des Verformungskörpers (5) reflektierten Ultraschallsignals (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckmessung in einem Hochdruckbehälter mittels Ultraschalllaufzeitmessung.
Druckmessungen von Flüssigkeiten bis zu 2700 bar sind derzeit bei der Diesel- und der Benzineinspritztechnik zur präzisen Dosierung der Einspritzmenge sowie bei Bremssystemen notwendig. Zur Druckmessung werden beispielsweise unterschiedliche membranbasierte Wandlerprinzipien eingesetzt, bei denen ein Durchgriff des Flüssigkeitsdrucks auf die Membran erforderlich ist. Die Wandler werden daher meist eingeschraubt bzw. bei Drücken im Bereich mehrerer 100 bar auch eingepresst. Eine große Herausforderung stellt die Dichtheit der Verbindung dar, wobei bei Einschraublösungen insbesondere der einzuschraubende, dichtende Stutzen mit hohen Kosten verbunden ist.
Aus der DE 10 2004 037 135 A1 ist es weiterhin bekannt, Druck und Temperatur in einem Hochdruckbehälter (Common Rail) mittels Ultraschalllaufzeitmessung synchron zu bestimmen. Dazu wird ein Ultraschallpuls durch eine im Hochdruckbehälter befindliche Flüssigkeit geschickt und aus der gemessenen Laufzeit der Druck der Flüssigkeit bestimmt. Da die Laufzeit in der Flüssigkeit temperaturabhängig ist, wird ein weiterer Ultraschallpuls durch den Hochdruckbehälter oder einen daran angebrachten Körper geschickt, um darüber die Temperatur zu kompensieren. Allerdings sind diese Laufzeitmessungen auch abhängig von der jeweils verwendeten Flüssigkeit.
Vorteile der Erfindung
Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist das Kostenreduktionspotential durch die Einsparung des dichtenden Einschraubstutzens durch einen geringfügigen Mehraufwand bei der Hochdruckbehälterfertigung und die Umgehung störender Einflüsse der Flüssigkeit bei Laufzeitmessungen, wie z. B. störende Einflüsse aufgrund von Materialabhängigkeit, deutlich temperaturabhängigen Materialkenngrößen und Strömungseinflüssen.
Bei der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung wird von vorneherein innen im Hochdruckbehälter bei der Herstellung ein durch Druck verformbarer bzw. stauchbarer Verformungskörper angeordnet oder ausgeformt, dessen Form- oder Längenänderung durch den im Hochdruckbehälter herrschenden Druck, also seine Verformungs- oder Stauchungslänge, per Ultraschall-Einkopplung von außen gemessen wird. Aus der gemessenen Form bzw. Länge des Verformungskörpers wird mithilfe einer bei einem Referenzdruck bekannten Referenzform bzw. -länge des Verformungskörpers der im Druckraum herrschende Druck bestimmt. Es wird nicht mehr die Laufzeit in der Flüssigkeit, die nämlich nicht nur temperatur-, sondern auch flüssigkeitstypabhängig ist, gemessen, sondern die Länge des in einem einfachen Fertigungsschritt geschaffenen Verformungskörpers im Hochdruckbehälter, der im Idealfall nicht einen weiteren Körper darstellt, sondern Teil des Hochdruckbehälters ist.
Vorzugsweise ist die Behälterwand des Hochdruckbehälters – beispielsweise mit einem Hohlbohrer – so ausgeformt, dass ein runder Vorsprung mit einer Länge im mm- oder cm-Bereich als axial stauchbarer Verformungskörper in das Hochdruckbehälterinnere hineinragt. Außen am Hochdruckbehälter befinden sich im Bereich des Verformungskörpers ein oder zwei Ultraschalltransducer. Entsprechend des Flüssigkeitsdrucks wird der Verformungskörper gestaucht, und aus der Messung der Laufzeit oder Phasenverschiebung des ausgesandten, an dem freien Ende des Verformungskörpers reflektierten Ultraschalsignals werden die Längenänderung und damit der Druck im Hochdruckbehälter ermittelt.
Die Druckmessvorrichtung weist bevorzugt Form- bzw. Längenermittlungsmittel, die aus der gemessenen Laufzeit oder Phasenverschiebung des empfangenen Ultraschallsignals die Form oder Länge des in den Druckraum hineinragenden Verformungskörpers ermitteln, Differenzbildungsmittel, die die Differenz zwischen der ermittelten Form bzw. Länge des Verformungskörpers und einer bei einem Referenzdruck bekannten Referenzform bzw. -länge des Verformungskörpers bilden, und Druckbestimmungsmittel, die aus der gebildeten Differenz den im Druckraum herrschende Druck bestimmen, auf. Diese Mittel können beispielsweise durch einen Mikroprozessor gebildet sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist ein in sich geschlossener Hochdruckbehälter (Common Rail) 1 gezeigt, dessen Druckraum 2 mit einer Flüssigkeit (Kraftstoff) 3 gefüllt ist. Eine Druckmessvorrichtung 4 ist vorgesehen, um den im Druckraum 2 herrschenden Druck mittels Ultraschalllaufzeitmessung oder Phasenverschiebung zu bestimmen.
Die Druckmessvorrichtung 4 umfasst einen ultraschallleitenden Verformungskörper 5, der mit einem freien Ende 6 in den Druckraum 2 hineinragt und der entsprechend dem im Druckraum 2 herrschenden Druck axial gestaucht wird, einen Ultraschallsender 7 zur Erzeugung eines den Verformungskörper 5 in Richtung 8 auf das freie Ende 6 des Verformungskörpers 5 durchlaufenden Ultraschallsignals 9, sowie einen in den Ultraschallsender 7 integrierten Ultraschallempfänger 10 zum Empfang des am freien Ende 6 des Verformungskörpers 5 in entgegengesetzter Richtung 11 reflektierten Ultraschallsignals 12. Die auftretenden thermischen Längenausdehnungen des Verformungskörpers 5 können durch eine Temperaturreferenz, z. B. mittels eines Temperaturfühlers, einbezogen werden. Der Verformungskörper 5 ist vorzugsweise aus Metall, wie z. B. Stahl, gebildet.
Der Verformungskörper 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel stoffschlüssig mit der Behälterwand 13 gebildet, beispielsweise indem aus einem zunächst dickeren Endbereich der Behälterwand 13 mit einem Hohlbohrer der Verformungskörper 5 als ein runder Vorsprung mit einer Länge im mm- oder cm-Bereich herausgebohrt wird. Der Ultraschallsender 7 und der Ultraschallempfänger 10 sind außen am Hochdruckbehälter 1, und zwar auf der dem Verformungskörper 5 gegenüberliegenden Wandseite der Behälterwand 13, befestigt.
Das Ultraschallsignal 9 wird vom Ultraschallsender 7 in Richtung 8 auf das freie Ende 6 des Verformungskörpers 5 ausgesandt, durchläuft die Behälterwand 13 und den Verformungskörper 5, wird am freien Ende 6 des Verformungskörpers 5 reflektiert und schließlich vom Ultraschallempfänger 10 empfangen. Aus der so gemessenen Laufzeit oder Phasenverschiebung des reflektierten Ultraschallsignals 12 wird die entsprechend dem Druck im Druckraum 2 gestauchte Länge des Verformungskörpers 5 ermittelt. Aus der Differenz zwischen der so ermittelten Länge des Verformungskörpers 5 und seiner bei einem Referenzdruck (z. B. im drucklosen Zustand des Druckraums 2) bekannten Referenzlänge kann der im Druckraum 2 herrschende Druck z. B. mittels einer zuvor bestimmten Kennlinie oder Kennlinienfeldes bestimmt werden. Es wird also nicht die Laufzeit in der Flüssigkeit 3, sondern die Längenänderung des Verformungskörpers 5 gemessen und ausgewertet.
Eine Druckerhöhung im Druckraum 2 bewirkt eine entsprechend höhere Kraft auf den Verformungskörper 5, der dadurch gegenüber der unverformbaren Behälterwand 13 gestaucht wird. In der Kennlinie ist der eindeutige Zusammenhang zwischen dieser Stauchung bzw. Längenänderung und der Druckerhöhung, bezogen auf eine bei einem Referenzdruck bekannte Referenzlänge des Verformungskörpers 5, angegeben, so dass aus einer ermittelten Längenänderung des Verformungskörpers 5 der im Druckraum 2 herrschende Druck bestimmt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004037135 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Druckmessung in einem Hochdruckbehälter (1), wobei ein Ultraschallsignal (9) einen ultraschallleitenden Verformungskörper (5), der mit einem freien Ende (6) in einen Druckraum (2) des Hochdruckbehälters (1) hineinragt, in Richtung (8) auf das freie Ende (6) des Verformungskörpers (5) durchläuft und am freien Ende (6) des Verformungskörpers (5) reflektiert wird, wobei die Laufzeit oder Phasenverschiebung des reflektierten Ultraschallsignals (12) gemessen wird, und wobei aus der gemessenen Laufzeit oder Phasenverschiebung die entsprechend dem Druck im Druckraum (2) veränderliche Form oder Länge des in den Druckraum (2) hineinragenden Verformungskörpers (5) ermittelt, und daraus der im Druckraum (2) herrschende Druck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Druckraum (2) hineinragende Verformungskörper (5) aus der Behälterwand (13) des Hochdruckbehälters (1) herausgeformt oder auf eine andere Art eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Druckraum (2) hineinragende Verformungskörper (5) aus der Behälterwand (13) des Hochdruckbehälters (1) mittels eines Hohlbohrers geformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal (9) außerhalb des Druckraums (2), vorzugsweise außerhalb des Hochdruckbehälters (1), erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz zwischen der ermittelten Form bzw. Länge des Verformungskörpers (5) und einer bei einem Referenzdruck bekannten Referenzform bzw. -länge des Verformungskörpers (5) der im Druckraum (2) herrschende Druck bestimmt wird.
Vorrichtung (4) zur Druckmessung in einem Hochdruckbehälter (1), mit einem ultraschallleitenden Verformungskörper (5), der mit einem freien Ende (6) in einen Druckraum (2) des Hochdruckbehälters (1) hineinragt und der entsprechend dem im Druckraum (2) herrschenden Druck verformt bzw. gestaucht wird, mit einem Ultraschallsender (7) zur Erzeugung eines den Verformungskörper (5) in Richtung (8) auf das freie Ende (6) des Verformungskörpers (5) durchlaufenden Ultraschallsignals (9), und mit einem Ultraschallempfänger (10) zum Empfang des am freien Ende (6) des Verformungskörpers (5) reflektierten Ultraschallsignals (12).
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (5) stoffschlüssig mit dem Hochdruckbehälter (1) gebildet ist.
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Druckraum (2) hineinragende Verformungskörper (5) aus der Behälterwand (13) des Hochdruckbehälters (1) herausgeformt, insbesondere herausgebohrt ist.
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (5) als separates Teil am Hochdruckbehälter (1) befestigt, insbesondere eingeschraubt ist.
Druckmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsender (7) und/oder der Ultraschallempfänger (10) außerhalb des Druckraums (2), insbesondere außen am Hochdruckbehälter (1), vorgesehen sind.
Druckmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (5) aus Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet ist.
Druckmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Form- bzw. Längenermittlungsmittel, die aus der gemessenen Laufzeit oder Phasenverschiebung des empfangenen Ultraschallsignals (12) die Form oder Länge des in den Druckraum (2) hineinragenden Verformungskörpers (5) ermitteln, Differenzbildungsmittel, die die Differenz zwischen der ermittelten Form bzw. Länge des Verformungskörpers (5) und einer bei einem Referenzdruck bekannten Referenzform bzw. -länge des Verformungskörpers (5) bilden, und Druckbestimmungsmittel, die aus der gebildeten Differenz den im Druckraum (2) herrschende Druck bestimmen.