DE102010063549A1

DE102010063549A1 - Ultraschallbasierte Messvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE102010063549A1
Application number: DE201010063549
Authority: DE
Inventors: Georg Bischopink; Gottfried Flik; Frank Schatz; Juergen Graf; Fabian Henrici
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN102564680B; US9021882B2; CN102564680A; US20120152022A1

Abstract

Bei einer ultraschallbasierten Messvorrichtung (1) mit einem Messkörper (3), mit mindestens einem Ultraschallsender (8) zum Einkoppeln von Ultraschall-Messsignalen in den Messkörper (3) und mit mindestens einem Ultraschallempfänger (9) zur Detektion der an einer Endfläche (10) des Messkörpers (3) reflektierten Ultraschall-Messsignale sendet der mindestens eine Ultraschallsender (8) erfindungsgemäß sowohl ein longitudinales als auch ein transversales Messsignal (S_L, S_T) aus. Anhand der Laufzeiten und eines Laufzeitunterschieds der an der Endfläche (10) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen (S_L', S_T') kann der Einfluss einer physikalischen Störgröße auf die von den Messsignalen durchlaufene Messstrecke beim Bestimmen eines an der Endfläche (10) herrschenden Messdrucks (p) und/oder einer an der Endfläche (10) herrschenden Messtemperatur (T) berücksichtig werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einer ultraschallbasierten Messvorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem ultraschallbasierten Messverfahren nach der Gattung des Anspruchs 9.
Die Verwendung von Ultraschall zur Längenbestimmung z. B. eines Festkörpers ist in der Praxis bei einer Vielzahl von Fragestellungen, wie etwa auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bekannt. Dabei wird in vielen Fällen die sogenannte Puls-Echo Methode genutzt, bei der aus der Laufzeit zwischen Aussenden eines Ultraschall-Pulses in einen Messkörper und Empfang des z. B. an der Rückwand des Messkörpers reflektierten Puls-Echos auf die Länge des Körpers geschlossen wird.
Hierzu wird eine Präzisionszeitbasis als Referenz für die Zeitmessung benötigt, wobei diesbezüglich in der Praxis vornehmlich Quarzoszillatoren zur Anwendung kommen. Außerdem muss die Schallgeschwindigkeit im zu untersuchenden Körper bekannt sein, oder durch eine Referenzmessung an einem Körper bekannter Länge und gleichen Materials bestimmt werden.
Bei allen laufzeitbasierten Distanzmessungen ist jedoch der Temperaturgang problematisch, da dieser den eigentlich zu messenden Effekt um ein Vielfaches übersteigen kann, wodurch die Messgröße mitunter bis zur Unbrauchbarkeit verfälscht werden kann.
Daher muss die Temperatur des Messkörpers bei vielen Anwendungen bis auf ein zehntel oder hundertstel Grad genau bestimmt werden. Diese Messgenauigkeit bei unvermeidbaren Schwankungen von Fertigungsparametern über die gesamte Lebensdauer einer Temperaturmessvorrichtung zu garantieren, ist praktisch unmöglich bzw. nur zu nicht vertretbaren Kosten möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine gattungsgemäße Messvorrichtung und ein gattungsgemäßes Messverfahren dahingehend weiterzubilden, dass eine von temperaturbedingten Messstrecken- bzw. Laufzeitänderungen der Ultraschallsignale unabhängige Längenmessung auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß durchlaufen die longitudinalen und transversalen Ultraschallsignale die mit dem zu messenden Druck beaufschlagte Messstrecke. Da der akustoelastische Effekt (Einfluss der mechanischen Spannung, also des Druckes, auf die Schallausbreitungsgeschwindigkeit) bei longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen unterschiedlich groß ist, erhält man zwei unabhängige Messungen (Laufzeit) bei gleichem Messdruck. Dies erlaubt es, den Störeinfluss der Temperatur entlang der für beide Ultraschallsignale gleichen Messstrecke (sofern diese Strecke von beiden Ultraschallsignalen quasi gleichzeitig durchlaufen wird) aus dem Messergebnis herauszurechnen. Aus der longitudinalen und der transversalen Laufzeit können über ein Kennfeld die Temperatur und/oder der Druck an der Endfläche bestimmt werden.
Druckbedingte Laufzeitänderungen der Ultraschallsignale über die Messstrecke können so unabhängig vom Temperaturgang der Messstrecke erfasst werden, wodurch eine temperaturkompensierte und daher zuverlässige Bestimmung des Messdrucks möglich ist. Dadurch ist selbst ein Erfassen von sehr geringen druckbedingten Verformungen in einem weiten Temperaturbereich möglich, wie diese beispielsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik mit dort typischerweise anzutreffenden Temperaturen von minus 40° bis plus 150°C auftreten. Insoweit sind insbesondere auch Anwendungen bei der Messung des Betriebsmitteldrucks eines Einspritzsystems (z. B. Common-Rail) oder des Hydrauliksystems einer Bremsanlage möglich.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat insbesondere folgende Vorteile:

– Hochgenaue Temperaturkompensation mit geringem Mehraufwand;
– Nur Einpunkt-Temperaturabgleich notwendig;
– Zusätzlich erhält man eine präzise Druck- und Temperaturmessung.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeiten und eines Laufzeitunterschieds der an der Endfläche reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen den Einfluss der Temperatur auf die von den Messsignalen durchlaufene Messstrecke herausrechnet und die bei bekannten longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten des Messkörpers über entsprechende Druck- bzw. Temperatur-Referenzkurven (Kennfelder) den an der Endfläche herrschenden Messdruck und/oder die an der Endfläche herrschende Messtemperatur ermittelt.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein zugehöriges Ultraschallmessverfahren zur Bestimmung eines an dem Messkörper herrschenden Messdrucks und/oder Messtemperatur mittels Puls-Echo mit den Merkmalen von Anspruch 9. Damit die gleiche Messstrecke durchlaufen wird, werden die longitudinalen und transversalen Ultraschallsignale vorzugsweise möglichst gleichzeitig oder zumindest nahezu gleichzeitig ausgesandt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung stark schematisiert wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen stark schematisierten Längsschnitt einer erfindungsgemäßen ultraschallbasierten Messvorrichtung zur Bestimmung des in einem Hochdruckbehälter herrschenden Drucks.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
Die in 1 gezeigte ultraschallbasierte Messvorrichtung 1 dient zur indirekten Messung des in einem Druckbehälter 2 herrschenden Drucks p und/oder Temperatur T. Der Druckbehälter 2 kann beispielsweise ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common-Rail) eines Kraftstoffeinspritzsystems für Verbrennungsmotoren, in dem der Betriebsdruck üblicherweise weit über 2000 bar liegt, oder ein Hydraulikdruckbehälter eines Hydrauliksystems einer Bremsanlage sein.
Die Messvorrichtung 1 weist einen im Wesentlichen schraubenförmigen Messkörper 3 aus einem zweckmäßigen Material, z. B. Metall oder Kunststoff, auf, der mit einem Außengewinde-Befestigungsabschnitt 4 in eine mit Gewinde versehene Behälteröffnung 5 des Druckbehälters 2 druckdicht eingeschraubt ist und sich mit einem freien Messende 6 durch die Behälteröffnung 5 in den Druckbehälter 2 hinein erstreckt. Das Messende 6 ist also mit dem im Druckbehälter 2 herrschenden Betriebsdruck p beaufschlagt und dadurch gegenüber seinem drucklosen Ausgangszustand, der gestrichelt angedeutet ist, verformt.
An der dem freien Messende 6 abgewandten Stirnfläche 7 des Messkörpers 3 sind ein Ultraschallsender 8 zum Einkoppeln von longitudinalen und transversalen Ultraschallsignalen S_L, S_T in den Messkörper 3 sowie ein Ultraschallempfänger 9 zur Detektion der an der Endfläche 10 des Messendes 6 reflektierten Ultraschall-Messsignale S_L', S_T' angeordnet. Ultraschallsender und Ultraschallempfänger 8, 9 können gemeinsam durch einen einzigen Ultraschalltransducer gebildet sein.
Die gemessene Messlaufzeit eines am druckbeaufschlagten Messende 6 reflektierten Messsignals ist abhängig von der Temperatur der durchlaufenen Messtrecke und dem an der Endfläche 10 herrschenden Druck p. Da der akustoelastische Effekt (Einfluss der mechanischen Spannung, also des Druckes p, auf die Schallausbreitungsgeschwindigkeit) bei longitudinalen und transversalen Ultraschallwellen unterschiedlich groß ist, erhält man mit den longitudinalen und transversalen Ultraschallsignalen S_L, S_T zwei unabhängige Laufzeitmessungen für den gleichen Druck p. Dies erlaubt es, den Störeinfluss der Temperatur entlang der für beide Ultraschallsignale gleichen Messstrecke (sofern diese Strecke von beiden Ultraschallsignalen gleichzeitig bzw. quasi gleichzeitig durchlaufen wird) aus dem Messergebnis herauszurechnen. Druckbedingte Laufzeitänderungen der Ultraschallsignale über die Messstrecke können so unabhängig vom Temperaturgang der Messstrecke erfasst werden.
Mit dem Ultraschalltransducer ist eine Auswerteeinheit 11 verbunden, die anhand der gemessenen Laufzeiten und eines Laufzeitunterschieds der reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignale S_L', S_T' bei bekannten longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten des Messkörpers 3 den Messdruck p über eine Messdruck-Referenzkurve (Kennfeld) ermittelt. Analog kann über eine Temperatur-Referenzkurve (Kennfeld) auch die am Messende 6 herrschende Messtemperatur T ermittelt werden.
Wie in 1 gestrichelt angedeutet, kann der Messkörper 3 eine oder mehrere Referenzflächen 12 ₁, 12 ₂ aufweisen, an denen jeweils ein Teil der vom Ultraschallsender 8 ausgesandten Ultraschallsignale als Referenzsignale zurück zum Ultraschallempfänger 9 reflektiert werden. Die Referenzflächen 12 ₁, 12 ₂ können beispielsweise durch einen Einschnitt oder eine Kante im Messkörper 3 gebildet sein. Durch Differenzbildung der longitudinalen und der transversalen Laufzeiten der Echos von der Endfläche 10 und der jeweiligen Referenzfläche 12 ₁, 12 ₂ können der Druck p und die Temperatur T in dem dazwischenliegenden Bereich gemessen werden; es findet also keine Integration dieser Messgrößen über die gesamte Länge des Messkörpers 3 statt.
Um den Einfluss von Montagestress auf die Messstrecke zu minimieren, kann der Messkörper 3 einen Flansch aufweisen, der über eine Spannschraube in einer Behälteröffnung 5 verspannt ist und von dem das Messende 6 des Messkörpers 3 zusätzlich über einen Absatz abgesetzt ist.
Das Messende 6 kann auch sehr weit in den Druckbehälter 2 hereinragen, um die Temperatur T und/oder Druck p statt wie in 1 gezeigt am Rand beispielsweise in der Mitte des Druckbehälters 2 zu messen. Werden mehrere Referenzflächen 12 ₁, 12 ₂ über die Länge des Messendes 6 verteilt, so kann durch geeignete Laufzeitdifferenzbildung der Druck bzw. die Temperatur an mehreren Stellen innerhalb des Druckbehälters 2 gleichzeitig gemessen werden.

Claims

Ultraschallbasierte Messvorrichtung (1) mit einem Messkörper (3), mit mindestens einem Ultraschallsender (8) zum Einkoppeln von Ultraschall-Messsignalen in den Messkörper (3) und mit mindestens einem Ultraschallempfänger (9) zur Detektion der an einer Endfläche (10) des Messkörpers (3) reflektierten Ultraschall-Messsignale, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallsender (8) sowohl ein longitudinales als auch ein transversales Messsignal (S_L, S_T) aussendet.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (3) mindestes eine Referenzfläche (12 ₁, 12 ₂) aufweist, an der ein Teil der vom Ultraschallsender (8) ausgesandten Messsignale als Referenzsignale zurück zum Ultraschallempfänger (9) reflektiert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (3) mehrere über die Länge des Messkörpers (3) verteilte Referenzflächen (12 ₁, 12 ₂) aufweist, an denen jeweils ein Teil der vom Ultraschallsender (8) ausgesandten Messsignale als Referenzsignale zurück zum Ultraschallempfänger (9) reflektiert wird.
Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (11), die anhand der Laufzeiten und eines Laufzeitunterschieds der an der Endfläche (10) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignale (S_L', S_T') den Einfluss einer physikalischen Störgröße auf die von den Messsignalen durchlaufene Messstrecke beim Bestimmen eines an der Endfläche (10) herrschenden Messdrucks (p) und/oder einer an der Endfläche (10) herrschenden Messtemperatur (T) berücksichtigt.
Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) anhand der Differenzen der Laufzeiten zwischen an der Endfläche (10) und an mindestens einer Referenzfläche (12 ₁, 12 ₂) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen (S_L', S_T') den herrschenden Messdruck (p) und/oder die herrschende Messtemperatur (T) zwischen der Endfläche (10) und der mindestens einen Referenzfläche (12 ₁, 12 ₂) bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) anhand der Differenzen der Laufzeiten zwischen an der Endfläche (10) und mehreren über die Länge des Messkörpers (6) verteilten Referenzflächen (12 ₁, 12 ₂) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen (S_L', S_T') den herrschenden Messdruck (p) und/oder die herrschende Messtemperatur (T) an mehreren Punkten des Messkörpers (6) bestimmt.
Druckbehälter (2), insbesondere eines Kraftstoffeinspritzsystems für Verbrennungsmotoren oder eines Hydrauliksystems einer Bremsanlage, mit einer am Druckbehälter (2) angeordneten Messvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messkörper (3) mit einem die Endfläche (10) aufweisenden Messende (6) in den Druckbehälter (2) hineinragt.
Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messende (6) des Messkörpers (3) mit dem im Druckbehälter (2) herrschenden Druck (p) beaufschlagt und/oder der im Druckbehälter (2) herrschenden Temperatur (T) ausgesetzt ist.
Ultraschallmessverfahren zur Bestimmung eines an einem Messkörper (3) herrschenden Messdrucks (p) und/oder Messtemperatur (T) mittels Puls-Echo, wobei die Laufzeit eines in den Messkörper (3) eingekoppelten Ultraschall-Messsignals bis zum Empfang des an einer Endfläche (10) des Messkörpers (3) reflektierten Ultraschall-Messsignals gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein longitudinales und ein transversales Messsignal (S_L, S_T) ausgesandt werden und dass anhand der Laufzeiten und eines Laufzeitunterschieds der an der Endfläche (10) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignale (S_L', S_T') der Einfluss einer physikalischen Störgröße auf die von den Messsignalen durchlaufene Messstrecke beim Berechnen eines an der Endfläche (10) herrschenden Messdrucks (p) und/oder einer an der Endfläche (10) herrschenden Messtemperatur (T) berücksichtig wird.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Differenzen der Laufzeiten zwischen an der Endfläche (10) und an mindestens einer Referenzfläche (12 ₁, 12 ₂) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen (S_L', S_T') der herrschende Messdruck (p) und/oder die herrschende Messtemperatur (T) zwischen der Endfläche (10) und der mindestens einen Referenzfläche (12 ₁, 12 ₂) bestimmt wird.
Ultraschallmessverfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Differenzen der Laufzeiten zwischen an der Endfläche (10) und mehreren über die Länge des Messkörpers (6) verteilten Referenzflächen (12 ₁, 12 ₂) reflektierten longitudinalen und transversalen Messsignalen (S_L, S_T) der herrschende Messdruck (p) und/oder die herrschende Messtemperatur (T) an mehreren Punkten des Messkörpers (6) bestimmt wird.