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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung
von Drucksensoren, mit einem in einer weitgehend starr begrenzten
Messkammer eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen und mit einer
Einrichtung zur Erzeugung eines Prüfdrucks in der Messkammer,
welche einen auf das Flüssigkeitsvolumen wirkenden Kolben
umfasst, wobei die Messkammer wenigstens eine Aufnahme für
einen Drucksensor aufweist.
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An
Verbrennungsmotoren sind häufig Druckmessungen durchzuführen,
wofür verschiedene Zylinderdrucksensoren bekannt sind.
Durch die Messung des Druckverlaufs können wichtige Aussagen über
die Thermodynamik des jeweiligen Verbrennungsmotors getroffen werden.
Um die Exaktheit dieser Messungen zu gewährleisten, müssen
diese Sensoren regelmäßig kalibriert werden. Für
die statische Kalibrierung werden die Drucksensoren über eine
Totgewichtswaage mit einer Kraft beaufschlagt, die dem jeweiligen
Druck entspricht. Der Prüfdruck kann pneumatisch oder hydraulisch
erzeugt werden.
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Bekannt
sind Druckgeneratoren, die auf die Verwendung eines Ölvolumens
zurückgreifen. Hierbei wird ähnlich einem Schraubstock über
ein Gewinde Kraft auf das Ölreservoir ausgeübt
und somit Druck erzeugt. Dies erlaubt quasistatische Kalibrierungen
bis zu 700 bar. Um die Zerstörung von Sensoren durch Überlast
zu verhindern, ist in diesen Geräten ein Überdruckventil
verbaut, dessen Ansprechdruck einstellbar ist. Nachteil dieser Methode
ist allerdings die geringe Aussagekraft über das dynamische Verhalten
der Sensoren. Bei der Kalibrierung werden nur einzelne Messpunkte
angefahren und wird über eine Gerade der Verlauf der Ladungsverschiebung der
Drucksensoren gemittelt. Zudem sind die Sensoren bei der statischen
Kalibrierung einer hohen Belastung ausgesetzt. Durch die dynamische
Kalibrierung soll also sowohl die Lebensdauer der Sensoren erhöht
wie auch die Überprüfung des dynamischen Verhaltens
ermöglicht werden.
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Zur
dynamischen Überprüfung ist bei manchen Systemen
vorgesehen, über einen Kolben dynamisch Kraft auf das Ölreservoir
auszuüben. Jedoch muss dies über einen Kupferhammer
manuell geschehen. Somit ist die Reproduzierbarkeit nicht gegeben
und das System für wissenschaftliches Arbeiten nicht geeignet.
Die dynamische Überprüfung birgt bei diesem System
zudem Risiken, da hierfür das Überdruckventil
gesperrt werden muss.
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Zur
dynamischen Überprüfung von Drucksensoren ist
weiterhin ein Gerät bekannt, bei welchem der Druckimpuls über
ein Fallgewicht erzeugt wird, welches über einen Kolben
auf eine ölgefüllte Kammer wirkt. Dabei wird ein
sinusförmiger Druckimpuls ausgelöst, dessen Breite
5–10 ms beträgt. Die Breite des Druckimpulses
hängt von den verwendeten Adaptern ab. Einzelne Adapter
für verschiedene Sensoren können erworben werden.
Jedoch steht für jeden verwendeten Sensor nur ein Adapter
zur Verfügung, somit kann hiermit nicht der Druckanstiegsgradient
verändert werden. Die Adapter beinhalten die Prüfkammer
mit Kolben und Gewinden für 2 Sensoren. Mit diesem System
können Messungen im Bereich von 25–5.000 bar durchgeführt
werden. Dazu wird bei Messungen bis 500 bar ein Aluminiumstab mit
einer Masse von 130 g verwendet, bei Messungen bis 5.000 bar ein
Fallgewicht von 5.400 g. Die Impulshöhe und der Druckanstiegsgradient
können hierbei über die Fallhöhe bestimmt
werden, hängen aber direkt voneinander ab. Somit ist ein
Einstellen des Druckanstiegsgradienten nicht möglich. Damit kann
die Zeit bis zum Erreichen eines spezifischen Spitzendrucks nicht
festgelegt werden. Allerdings ist es mit diesem System nur eingeschränkt
möglich, konstante Drücke aufrechtzuerhalten,
so dass von Hand Druck auf das auf dem Kolben liegende Gewicht ausgeübt
werden muss. Dies scheint aber für eine statische Kalibrierung
zu ungenau und nicht reproduzierbar. Die Impulshöhe und
der Druckanstiegsgradient können hierbei über
die Fallhöhe bestimmt werden, hängen aber direkt
voneinander ab. Somit ist ein Einstellen des Druckanstiegsgradienten nicht
möglich. Damit kann die Zeit bis zum Erreichen eines spezifischen
Spitzendrucks nicht festgelegt werden. Allerdings ist es mit diesem
System nur eingeschränkt möglich, konstante Drücke
aufrechtzuerhalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kalibrierung
von Drucksensoren vorzuschlagen, die statische sowie dynamische
Kalibrierungen in reproduzierbarer Qualität erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der
Prüfdruck in der Prüfkammer wird erzeugt, indem
eine Kraft auf den Kolben aufgebracht wird. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, den Prüfdruck mittels eines elektrischen Antriebs
vorzunehmen. Dieser ist gut regelbar und ermöglicht somit eine
exakte Einhaltung des gewünschten Prüfdrucks oder
Prüfdruckverlaufs. Hierbei können Elektromotoren
als Rotationsmotoren oder Linearmotoren zum Einsatz kommen.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die
Krafterzeugung durch Ausnutzung des Elektromagnetismus. Dazu kann
der Kolben zur Druckerzeugung an einen Linearantrieb gekoppelt werden.
Die Einrichtung zur Erzeugung eines statischen oder dynamischen
Prüfdrucks umfasst hierzu eine mit einem Strom durchsetzbare
Spule, welche mit einem Magneten zusammenwirkt. Eines der beiden
Teile ist hierbei stationär angeordnet und das andere wirkt
auf den Kolben. Vorteile sind eine einfache Ansteuerung und das
Umgehen eines Überströmvorgangs, welcher bei einem
pneumatischen Antrieb auftritt. Weiterhin ist es möglich,
definierte Kräfte auf das Prüfvolumen zu erzeugen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Magnet stationär angeordnet
ist und die Spule direkt mit dem Kolben verbunden ist. Der Magnet
ist bevorzugt als Permanentmagnet ausgeführt. Ebenso kann
jedoch auch ein Elektromagnet zum Einsatz kommen. Durch die Variation
des Kolbendurchmessers kann man den Kraftbereich des Aktuators bei
der Konstruktion einstellen.
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Der
Strom durch die Spule und/oder die Spannung an der Spule ist nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steuerbar oder regelbar, um
den Druck in der Prüfkammer einzustellen. Bei einer Spannungsregelung
führt die Gegeninduktion zu einer Dämpfung der
Spule. Durch die Regelung des Stroms wird die Dämpfung
der Spule verhindert. Die Art der Regelung ist je nach gewünschtem
Prüfvorgang wählbar.
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Ist
die Prüfkammer beheizbar, können Einflüsse
der Öltemperatur vermieden werden und reproduzierbare Messergebisse
erzielt werden.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn zur Erzeugung eines dynamischen Prüfdruckverlaufs
die Spule stromgesteuert oder -geregelt ist. Nach einer besonders
vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind hierbei Druckanstiegsgradienten
bis zu 50 bar/ms frei einstellbar.
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Um
einen statischen Prüfdruck zu erzeugen, ist die Spule vorzugsweise
spannungsgesteuert oder -geregelt, da hierbei die Dämpfung
durch die Gegeninduktion verstärkt wird. So erreicht das
System schneller seinen Endwert.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn der Prüfdruck im Unterdruck- und Überdruckbereich
von annähernd 0 bar bis 400 bar oder darüber frei
einstellbar ist. Durch die Möglichkeit von Kalibrierungen auch
im Unterdruckbereich ist die Vorrichtung sehr vielseitig einsetzbar.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn die Vorrichtung ein steuerbares Netzteil
umfasst. Dieses kann direkt die angeschlossene Spule ansteuern,
so dass die Vorrichtung konstruktiv einfach aufgebaut werden kann.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Netzteil
mittels einer Analogkarte steuerbar. Diese kann Steuerspannungen
in beliebigen Kurvenformen ausgeben und ist somit optimal für die
Ansteuerung des Netzteils geeignet. Verfügt die Analogkarte über
einen Digitalausgang, so kann ein Triggersignal ausgegeben werden,
welches den Beginn der Messung vorgibt.
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Ist
das Netzteil mittels einer Programmsteuerung spannungs- oder stromgesteuert
betreibbar, können verschiedene Prüffunktionen
wie Sprung-, Rampen- oder Treppenfunktionen jeweils optimal abgefahren
werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die zeitlichen Parameter
der Prüffunktionen weitgehend frei programmierbar sind.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Wiederholungsanzahl der während
eines Prüfvorgangs zu durchfahrenden Prüffunktion
frei wählbar ist.
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Daneben
ist es vorteilhaft, wenn in der Programmsteuerung verschiedene Prüfabläufe
hinterlegbar sind, welche mehrere Prüffunktionen umfassen.
Gespeicherte Prüffunktionen können in beliebiger
Reihenfolge angeordnet werden. Hierdurch ist es möglich,
vollautomatisch vorgegebene Prüfroutinen abzufahren.
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Weist
die Messkammer eine weitere Aufnahme für einen Referenzsensor
auf, liegen für den zu überprüfenden
Sensor und den Referenzsensor exakt die gleichen Bedingungen vor,
so dass der Vergleich mit dem Referenzsensor besonders zuverlässig
erfolgen kann.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Messkammer mehrere Aufnahmen für zu kalibrierende Drucksensoren
auf weist. Es können mehrere verschiedene Sensoren unter
gleichen Bedingungen zeitgleich überprüft werden,
um vergleichende Messungen zuzulassen.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn die Drucksensoren mittels eines Adapters
in die Aufnahmen der Messkammer einsetzbar sind. Es können
somit verschiedene Sensoren mit einer Vorrichtung geprüft werden.
Adapter für weitere Sensoren können schnell angefertigt
werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Vorrichtung eine Auswerteeinheit umfasst, welche neben dem Druckverlauf
des Drucksensors den von dem Netzteil ausgegebenen Strom oder die
ausgegebene Spannung messtechnisch erfasst. Abweichungen vom jeweils vorgegebenen
Wert können hierdurch erkannt werden.
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Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung
ein transportables Gestell umfasst, an welchem die Messkammer sowie die
Einrichtung zur Erzeugung des Prüfdrucks angeordnet sind.
Die Vorrichtung ist hierdurch einfach zu transportieren und auch
in anderen Umgebungen oder an einem Motorprüfstand einsetzbar.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kalibrierung
von Drucksensoren, welche eine mit einem Strom durchsetzbare Spule
umfasst,
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2 eine
Prüfkammer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Kalibrierung von Drucksensoren,
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3 einen
Adapter zum Einsetzen von Drucksensoren in die Prüfkammer,
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4 einen
beispielhaften Verlauf der Steuerspannung bei statischer Kalibrierung,
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5 einen
beispielhaften Verlauf des Prüfkammerdrucks bei dynamischer
Kalibrierung,
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6 einen
beispielhaften Verlauf der Steuerspannungen bei verschiedenen Druckanstiegsgradienten
bei Rampenfunktion und
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7 einen
beispielhaften Verlauf der Steuerspannung bei einer Treppenfunktion.
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1 zeigt
eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur
Kalibrierung von Drucksensoren, welche eine mit einem Strom durchsetzbare
Spule umfasst.
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Der
gewählte elektrische Antrieb 2 besteht aus einer
Spule, die von einem Magnet umschlossen wird (Voice-Coil-Aktuator
oder Tauchspulenaktuator). Fließt nun ein Strom durch die
Spule, übt diese eine Kraft proportional zum anliegenden
Strom aus. Der Vorteil dieses Systems liegt in der hohen Leistungsdichte.
Dadurch ist das System für dynamische Anwendungen ideal.
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Die
Spule ist direkt mit einem Kolben 3 für das Prüfvolumen,
hier ein Ölvolumen, verbunden. Durch die Variation des
Kolbendurchmessers ist der Kraftbereich des Aktuators einstellbar.
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Die
Prüfkammer 4 besteht aus einem Quader mit vier
gleichen Seiten. An jeder der Seiten ist eine Aufnahme 10 für
einen Adapter 5 (s. 3) angeordnet,
in den ein Sensor eingeschraubt werden kann. Auf der Oberseite ist
eine Entlüftungsbohrung 6 zu erkennen. Sie ist
am höchsten Punkt positioniert und erlaubt somit der Luft,
vollständig zu entweichen. Die Befüllung mit Öl
erfolgt über eine Befüllbohrung 7 in
der seitlich angebrachten Fase an dem tiefsten Punkt der Kammer.
Hier kann das Hydrauliköl eingefüllt werden. Sowohl
Befüll- als auch Entlüftungsbohrung 6, 7 sind
mit Entlüftungsventilen (hier nicht dargestellt) ausgestattet.
Diese Konstruktion erlaubt ein schnelles Rüsten der Prüfkammer 4 beim
Sensorwechsel. Als Prüfvolumen kann beispielsweise Öl verwendet
werden. Andere Flüssigkeiten sind jedoch ebenfalls denkbar.
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Die
Krafteinleitung erfolgt über den Kolben 3, der
durch eine unterseitig angebrachte Bohrung (hier nicht dargestellt)
in das Prüfvolumen eindringt. Dieser ist mittig angebracht,
um Unregelmäßigkeiten möglichst auszuschließen.
Vorzugsweise ist die Prüfkammer 4 zweiteilig mit
einem Gehäuse 8 und einer Deckplatte 9 aufgebaut.
Dies ermöglicht in günstiger Weise eine Abdichtung
der Vorrichtung 1 und eine Führung für
den Kolben 3.
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3 zeigt
einen Adapter 5, mittels welchem Drucksensoren in die Aufnahmen 10 der
Prüfkammer 4 einsetzbar sind. Die Adapter 5 werden
in die seitlichen Aufnahmen 10 der Prüfkammer 4 eingeschoben
und von außen verschraubt. Der Durchmesser ist so gewählt,
dass Sensoren verschiedenster Gewindestärken Platz finden.
Vorzugsweise sind die Adapter 5 als Drehteile mit anschließend
abgeflachten Kanten ausgeführt. So können Adapter 5 für
weitere Sensoren schnell angefertigt werden.
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Die
Abdichtung erfolgt über einen stirnseitig angebrachten
O-Ring. Dieser ist in einer Nut 11 am Adapter 5 eingepasst
und wird beim Verschrauben unter Vorspannung gebracht. Wenn nun
Druck auf diesen wirkt, verspannt sich dieser noch weiter in der Nut 11 und
dichtet somit zuverlässig ab. Die Adapter 5 sind
derart gefertigt, dass die Sensoren gemäß den Vorgaben
des Sensorherstellers zum brennraumbündigen Einbau einsetzbar
sind.
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Der
Rahmen 12 (vgl. 1) stellt in erster Linie die
Verbindung zwischen Prüfkammer 4 und Antrieb 2 her
und nimmt die auftretenden Kräfte auf. Dabei muss er die
korrekte Positionierung der Elemente 4, 2 insbesondere
in Bezug auf die Mittelachse gewährleisten. Um eine einfache
und verzugsfreie Konstruktion zu erzielen, kann der Rahmen 12 über Schraubverbindungen
aus vorgefertigten Profilen 13 aufgebaut sein.
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Die
Profile 13 sind zusätzlich durch zwei Platten 14 an
Ober- und Unterseite ergänzt. Diese führen zum
einen zu einer Versteifung der Konstruktion, zum anderen können über
sie sowohl der Magnet als auch die Prüfkammer 4 optimal
zueinander positioniert werden. Zudem bleibt durch diese Konstruktion
der Zugang zur Entlüftungsbohrung 6 frei.
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Um
die Mobilität der Vorrichtung 1 zu gewährleisten,
können nahezu alle benötigten Komponenten der
Vorrichtung 1 in einem mobilen Rack verbaut werden. In
diesem können auch weitere Geräte, welche beispielsweise
für Sensoren anderen Typs benötigt werden, untergebracht
werden. Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 kann
beispielsweise mittels der Füße 15 in
dem Rahmes 12 sowohl zum Transport als auch im Betrieb
fixiert werden.
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Bei
der Ansteuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann
ein programmierbares Netzteil (nicht gezeigt) direkt die angeschlossene
Spule ansteuern. Das Netzteil wird vorzugsweise über eine Analogkarte
angesteuert. Wird bei der Ansteuerung die Spule mit einem konstanten
Strom beaufschlagt, kann eine konstante Kraft der Spule während
der Bewegung erzielt werden, und Effekte durch Gegeninduktion vermieden
werden. Dadurch werden schnellere Anstiegszeiten ermöglicht.
Für einen dynamischen Prüfdruckverlauf ist daher
eine Stromregelung vorteilhaft. Zur Erzeugung eines statischen Prüfdrucks
ist eine Spannungsregelung vorteilhaft, da durch die Gegeninduktion
eine Dämpfung erzielt wird und das System schneller seinen
Endwert erreicht.
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Um
die Programmierung des Netzteils vorzunehmen, empfiehlt sich eine
Analogkarte. Diese kann Steuerspannungen in beliebigen Kurvenformen
ausgeben und ist somit optimal für die Ansteuerung des Netzteils
geeignet.
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Die
Analogausgänge der Analogkarte dienen zur Programmierung
des Netzteils. Weist die Analogkarte zusätzlich einen oder
mehrere Digitalausgänge auf, kann ein Triggersignal ausgegeben
werden, welches den Beginn der Messung vorgibt.
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Die
gezeigte Vorrichtung 1 zur Kalibrierung von Drucksensoren
ermöglicht Druckanstiegsgradienten im Bereich von 50 bar/ms
sowie statische Kalibrierungen bei Drücken von ca. 200
bar, die stabil gehalten werden können. Hierbei können
auch vollautomatisch vorgegebene Prüfroutinen abgefahren
werden. Daneben ist die Vorrichtung 1 einfach zu transportieren
und somit auch in anderen Umgebungen und an einem Motorprüfstand
einsetzbar. Weiterhin kann durch die vergleichsweise einfache Konstruktion
die Vorrichtung 1 sehr kostengünstig hergestellt werden.
Die Verwendung von Öl als Prüfvolumen führt
hierbei zu einem günstigen thermischen Verhalten.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 automatisiert
betreibbar. Hierfür sind Programme für die Ansteuerung,
die Datenerfassung und die Auswertung der aufgenommenen Daten vorgesehen.
Im Folgenden werden die genannten Komponenten näher beschrieben.
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Das
Programm zur Ansteuerung ermöglicht es, das Netzteil sowohl
spannungs- als auch stromgeregelt zu betreiben. Hierbei können
verschiedene Prüfabläufe, wie Sprung-, Rampen-
und Treppenfunktionen, festgelegt werden. Ein manueller Modus ist
für Einstell- und Funktionstests an der Vorrichtung 1 vorgesehen.
Die Betriebsart Einzelzyklus erlaubt das Generieren von zur Kalibrierung
nötigen Kurven. Bei diesen lassen sich jeweils Spannungs-
oder Stromverlauf vorgeben. Als vorgegebene Funktionen sind im Programm
Sprung-, Rampen- und Treppenfunktion hinterlegt. Weiterhin kann
die Wiederholungszahl der Prüfzyklen eingestellt werden.
Die Festlegung des zeitlichen Verlaufs eines Prüfzyklus ist
ebenfalls möglich. Hierbei können die jeweilige Dauer
eines Vorgangs, eine Ruhezeit am Anfang sowie im Falle einer Rampenfunktion
die Anstiegszeit bis zum Erreichen eines gewünschten Spit zenwerts festgelegt
werden. Ebenso ist die Verweildauer auf dem Spitzenwert sowie die
Dauer bis zum Absinken auf den Ausgangswert oder einen weiteren,
einstellbaren Wert festlegbar. Bei der Programmierung von Treppenfunktionen
ist der Aufbau sehr ähnlich, wobei jedoch zusätzlich
die Anzahl der gefahrenen Stufen bis zum Erreichen des Spitzenwerts
einstellbar ist. Eine Aneinanderreihung mehrerer solcher Prüfzyklen ist
ebenfalls möglich. Gespeicherte Prüfzyklen lassen
sich hier in beliebiger Reihenfolge anordnen.
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Zur
Auswertung werden die gespeicherten Daten in ein Auswertungsprogramm
eingelesen. Mittels der Auswertesoftware können schließlich
die Korrekturfaktoren für die geprüften Sensoren
ermittelt werden, indem die vom Referenzsensor ermittelten Druckwerte
mit denen des zu prüfenden Sensors verglichen werden. Die
Verwertung der gemessenen Verläufe unterscheidet sich nach
statischer und dynamischer Kalibrierung.
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Bei
der statischen Kalibrierung wird zunächst das Messsignal
(vgl. 4) auf den eingeschwungenen Bereich gekürzt.
Dies erfolgt durch die Aufzeichnung der Steuerspannung. Aus dieser
wird der Bereich über 90% des Maximalwerts ermittelt und
aus diesem Bereich die Mitte bestimmt. Nun wird das eigentliche
Drucksignal auf 10% vor und 40% hinter der Mitte des Plateaus beschnitten.
Dies wird als statischer Wert W angenommen und das Drucksignal in diesem
Bereich gemittelt. Diese Vorgehensweise wird für alle gemessenen
Sensoren gleich angewandt. Besonders wichtig ist hierbei, den gleichen Zeitbereich
für die Referenz als auch die zu kalibrierenden Sensoren
zu verwenden. Andernfalls führt der Mittelwert zu ungenauen
Ergebnissen. Nun kann aus der Differenz der Mittelwerte ein Korrekturfaktor für
den Sensor in diesem Druckbereich bestimmt werden. Dabei wird für
jedes der angefahrenen Plateaus ein eigener Korrekturfaktor ausgegeben.
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Zur
dynamischen Kalibrierung wird die Methode der kleinsten Fehlerquadrate
benutzt. Dazu werden die ermittelten Kurven (vgl. 5)
im Zeitbereich auf den zu betrachtenden Bereich gekürzt.
Der Start erfolgt anhand eines eingestellten Schwellenwerts SW,
im vorliegenden Beispiel 5 bar. Das Ende wird anhand der errechneten
Extremstellen ermittelt. Das Abbruchkriterium ist so gewählt,
dass das Signal nach dauerhaftem Unterschreiten eines gewählten Schwellenwerts
abgeschnitten wird. Dieser Grenzdruck GD kann in Prozent des Maximalwerts
oder als Absolutwert angegeben werden. Anschließend muss eine
Endschwelle unterschritten werden, um auf eine neue Überschreitung
des Startschwellenwerts zu reagieren. Der Korrekturfaktor errechnet
sich aus dem Kehrwert des durch den Vergleich jeweils ermittelten Wertes
der Abweichung. Hieraus kann schließlich eine Empfindlichkeit
des Sensors ermittelt werden. So können Sensoren hinsichtlich
ihrer dynamischen Genauigkeit überprüft und bewertet
werden. Diese Auswerteroutine ist für alle schwingenden
Systeme geeignet.
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Zur
Erstinbetriebnahme der Vorrichtung 1 müssen zunächst
die Sensoren in ihre jeweiligen Adapter 5 eingesetzt werden
und mit dem für sie vorgesehenen Drehmoment befestigt werden.
Nach der Bestückung muss die Prüfkammer 4 mit Öl
gefüllt und entlüftet werden. Anschließend
können Messungen vorgenommen werden.
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Im
Folgenden werden beispielhaft Messungen und eine Auswertung dieser
Messungen beschrieben. Es liegt auf der Hand, dass andere als die dargestellten
Mess- und Auswerteroutinen denkbar sind.
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Zur
statischen Kalibrierung wurden im beschriebenen Beispiel spannungsgesteuert
Rampenfunktionen gefahren und Ausgabespannung und Druck aufgezeichnet.
Um überlagernde Schwingungen beim Beschleunigen aus der
Ruhephase zu vermeiden, kann das System zur statischen Messung vorgespannt
werden. Hierzu wird während der Ruhephasen nicht auf 0
V entspannt, sondern beispielsweise auf 2,5 V. Dadurch lassen sich
konstante Werte wesentlich sauberer anfahren. In diesem Betriebsmodus
wurden nun verschiedene Druckverläufe aufgezeichnet. Um
verwertbare Daten eines quasistatischen Drucks zu gewinnen, ist
es sinnvoll, Werte im Bereich 100–200 ms zu wählen.
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Bei
der dynamischen Kalibrierung wird Wert auf möglichst hohe
Druckanstiegsgradienten gelegt. Nach Möglichkeit sollen
diese nahe den Druckanstiegen im Verbrennungsmotor liegen. Charakteristisch hierfür
sind Druckanstiegszeiten von 100 bar/ms. Um das System in die Lage
zu versetzen, möglichst schnell beschleunigen zu können,
sollte in diesem Fall auf die Stromregelung zurückgegriffen
werden. Hierbei können unterschiedliche Spitzendrücke
angefahren werden. Stromvorgabe und Spitzendruck wurden jeweils
aufgezeichnet.
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Rampenfunktionen
wurden zur Aufnahme verschiedener Anstiegsgradienten sowohl in Strom- als
auch Spannungsregelung gefahren. So können die Sensoren
hinsichtlich ihres zeitlichen Verhaltens überprüft
werden. Auch hier wurde das System im Spannungsbetrieb vorgespannt.
Die charakteristischen Druckanstiegsdauern betrugen hierbei 20 ms, 50
ms, 100 ms und 200 ms. Spitzendruck bei allen Messungen waren 100
bar. Die Steuerspannungen für verschiedene Druckanstiegsgradienten
sind in 6 dargestellt.
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Mittels
einer Treppenfunktion ist die Leistungsfähigkeit des Systems
darstellbar. Zur statischen Kalibrierung ist es empfehlenswert,
die Druckniveaus einzeln anzufahren, da so mehr Einschwingzeit bei
geringerer Belastung der Spule realisiert werden kann. Hier können
unterschiedliche quasistatische Druckniveaus innerhalb kürzester
Zeit gefahren werden.
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7 zeigt
den Verlauf der Steuerspannung für eine Treppenfunktion.
Die Treppenfunktion ermöglicht, das Verhalten der Vorrichtung 1 bei
verschiedenen Druckniveaus zu ermitteln. Die Treppenstufen sind
sowohl in der Höhe des Spannungssprungs als auch der Haltedauer
identisch.
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Die
Auswertung der verschiedenen Funktion gewährt einen Überblick über
die Grenzen des Systems und ermöglicht die Erstellung einer
Eichkurve des Systems.
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Die
Auswertung der statischen Messungen ergab qualitativ ein gutes Ergebnis
hinsichtlich des Einschwingverhaltens. Die Stabilisierung auf ein
konstantes Druckniveau findet unter Verwendung der Rampenfunktion
innerhalb von 80 ms statt. Der anschließende Bereich kann
zur Auswertung als quasistatisch betrachtet werden. Die Überprüfung
hinsichtlich der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ergab für
ein angestrebtes Druckniveau von 150 bar Restschwankungen von +/–1
bar, wobei der Zieldruck im Mittel auf 1 bar genau angefahren werden
kann. Die ermittelte Streuung der Korrekturfaktoren lag im Bereich
von 0,17%. Die mittels der Vorrichtung 1 ermittelten Korrekturfaktoren
wurden durch Vergleich mit dem Referenzsensor überprüft
und erwiesen sich als korrekt.
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Die
dynamische Kalibrierung erfolgte unter den gleichen Randbedingungen
wie die statische Kalibrierung. Ziel hierbei war es, die jeweiligen
Spitzendrücke innerhalb kürzester Zeit zu erreichen.
Dabei wurden wiederum die festgelegten charakteristischen Drücke
angefahren. Auf die Vorspannung wurde hier verzichtet, so dass das
System in Nulllage zurückkehren konnte. Die ermittelten
Werte zeigten sich zuverlässig und reproduzierbar. Auch
hier wurde zur Absicherung der Werte der Korrekturfaktor mit den
Werten der Referenz verglichen und als korrekt befunden.
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Die
Vorrichtung 1 ermöglicht vergleichende Untersuchungen
unter physikalisch exakt gleichen Bedingungen, während
bei bisherigen Untersuchungen am Brennraum die exakten Randbedingungen lediglich
abgeschätzt werden konnten. Durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 kann erreicht werden, dass verschiedene Sensoren
untereinander und unter exakt gleichen Bedingungen verglichen werden können.
Hierbei können auch mehrere verschiedene Sensoren zeitgleich überprüft
werden, um vergleichende Messungen zuzulassen. So kann der Vergleich
verschiedener Bauformen (Faseroptisch, Piezo, DMS) wie auch verschiedener
Typen gleicher Bauform ermöglicht werden. Somit können
verschiedene Sensoren auf Genauigkeit und dynamisches Verhalten
in relativ kurzer Zeit überprüft werden. Der Stand
der Technik ermöglichte hingegen lediglich eine statische
Kalibrierung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann
zur Überprüfung und Nachkalibrierung von Drucksensoren
zuverlässig genutzt werden. Weitere Vorteile sind kurze
Rüstzeiten und einfache Anpassung an verschiedenste Sensortypen und
Größen.
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Die
Beaufschlagung mit vorgegebenen Gradienten und Lastschemata in nahezu
beliebiger Form ermöglicht Messungen in bisher nicht erfassten
Bereichen, zudem hierbei Druckanstiege realisiert werden können,
welche nahe dem motorischen Bereich liegen und so erstmals Aussagekraft über
die Eignung der statischen Kalibrierung für Zylinderdrucksensoren
zulassen. Somit steht ein zuverlässiges Werkzeug zur weiteren
Untersuchung von Zylinderdrucksensoren zur Verfügung.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche
fallen ebenfalls unter die Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3707565
A1 [0006]
- - DE 1573629 [0006]