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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen von Hochdruck-Gasbefüllanlagen.
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Hochdruck-Gasbefüllanlagen für die Befüllung von Gasbehältern stellen an einen Hochdruck-Ausgang ein Gas unter hohem Druck bereit, welches bei Anschluss eines zu befüllenden Gasbehälters an dem Hochdruck-Ausgang über eine gasdichte Leitung wegen des Druckgefälles zum Gasbehälter strömt. Von zunehmender Bedeutung sind solche Gasbefüllanlagen insbesondere als Gastankstellen für mit Gas, typischerweise Erdgas oder Wasserstoff, betriebene Fahrzeuge. Die Gasdrücke können dabei Werte von bis zu 100 MPa erreichen. Der hohe Gasdruck kann bereits in einem Vorratsbehälter, aus welchem das Gas entnommen wird, vorliegen. Vorzugsweise wird Gas aus einem Vorratsbehälter mit gegenüber dem Maximaldruck am Hochdruck-Ausgang niedrigeren Gasdruck entnommen und über eine Kompressoreinrichtung auf den gewünschten Druck gebracht. Es sind z. B. aus der
DE 196 50 999 C1 auch Gastankstellen mit mehrfacher Behälteranordnung und/oder mehrstufigen Kompressoreinrichtungen bekannt.
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Für die breite Akzeptanz gasförmiger Kraftstoffe in Fahrzeugen ist eine kurze Befüllzeit von wenigen Minuten von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere bei solchen kurzen Befüllzeiten sind die für Gase allgemein bekannten Temperatureffekte, insbesondere die Erhitzung bei Kompression von besonderer Bedeutung, da z. B. im Fahrzeug-Gastank als zu befüllendem Behälter Maximaltemperaturen zu beachten sind und eine hohe Temperatur am Ende des Befüllvorgangs bei gegebenem Maximaldruck mit einer geringeren Masse von Gas im Fahrzeugtank verbunden ist als bei einer geringeren Temperatur. Einer zu starken Erhitzung des Gases im Fahrzeugtank kann durch Vorkühlen des am Hochdruck-Ausgang abgegebenen Gases auf tiefe Temperaturen von z. B. ca. –20° C in der Gastankstelle vorgebeugt werden, wobei die Kühlleistung einer Kühleinrichtung zur Anpassung an die Gas-Strömungsrate und/oder an die Kompression in der Gastankstelle regelbar ist.
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In Gastankstellen können Steuer- und Regelungseinrichtungen integriert sein, mittels welcher der Ablauf eines Befüllvorgangs nachfolgend auch als Betankungsvorgang bezeichnet, beeinflussbar ist. Beispielsweise kann der Gasdruck am Hochdruck-Ausgang über die Dauer eines Befüllvorgangs von einem niedrigen Ausgangsdruck bis zu einem maximalen Ausgangsdruck zeitlich monoton erhöht werden, wie z. B. in der
WO 2008/110240 A1 beschrieben. Nach Erreichen des Maximaldrucks kann dieser bis Beendigung des Befüllvorgangs durch den Benutzer gehalten werden oder der Befüllvorgang automatisch abgebrochen werden.
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Bei Gastankstellen als Befüllanlagen ist wegen der Brennbarkeit der Gase die Funktion der internen Steuer-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen von besonderer Bedeutung und es besteht ein Bedürfnis, die ordnungsgemäße Funktion dieser Einrichtungen über externe Testvorrichtungen neutral, insbesondere standardisiert überprüfen und bewerten zu können.
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Eine einfache Möglichkeit, die Funktion der Einrichtungen einer Gastankstelle zu testen, besteht darin, einen standardisierten Betankungsvorgang durchzuführen und hierfür als Testvorrichtung einen genormten Test-Gastank als zu befüllenden Behälter mit dem Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage zu verbinden und zu befüllen und dabei Kenngrößen des Befüllvorgangs zu erfassen. Da bei Gastanks von Fahrzeugen im Realfall davon auszugehen ist, dass eine Mehrzahl von unterschiedlichen Gastanks gegeben ist und typischerweise die Fahrzeug-Gastanks zu Beginn des Befüllvorgangs noch einen Rest-Füllstand aufweisen, wird ein Test mit einem genormten Test-Gastank den real auftretenden Verhältnissen nur unzulänglich gerecht. Derartige Behälter als Test-Gastanks sind teuer und umständlich in der Handhabung und im Transport zu der zu testenden Befüllanlage, was insbesondere ungünstig ist, wenn mehrere Behälter unterschiedlicher Größe bereit gestellt werden sollen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen von Hochdruck-Gasbefüllanlagen mit vereinfachter und/oder flexibler Durchführung von Tests anzugeben.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Einfügung einer Ventileinrichtung mit steuerbar veränderlichem Strömungswiderstand in einen von dem von der Befüllanlage abgegebenen Gasstrom durchströmten Strömungsweg ermöglicht auf besonders einfache Weise die Durchführung von Tests ohne die Notwendigkeit, einen oder mehrere Test-Gastanks mit definierten Merkmalen bereit zu halten. Die Erfindung macht vorteilhaften Gebrauch von der Erkenntnis, dass die internen Steuer-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen bei einem Befüllvorgang typischerweise nur die in der Befüllanlage, insbesondere am Hochdruck-Ausgang erfassbaren zeitveränderlichen physikalischen Kenngrößen des Gasstroms auswerten und nutzen können. Eine Kommunikation mit Fahrzeugeinrichtungen kann typischerweise nicht vorausgesetzt werden.
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Durch den veränderlich einstellbaren Strömungswiderstand der steuerbaren Ventileinrichtung können insbesondere die Kenngrößen des Gasdrucks am Hochdruck-Ausgang und die Strömungsrate des Gasstroms durch den Hochdruck-Ausgang in eine gewünschte zeitlich veränderliche Korrelation gesetzt werden. Insbesondere kann damit auf einfache Weise ein Befüllvorgang eines Behälters nach Zeitverlauf von Druck, Strömungsrate und/oder Temperatur des Gasstroms am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage nachgebildet werden.
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Beispielsweise ergibt sich bei der Befüllung eines realen Behälters durch eine Befüllanlage mit während eines Befüllvorgangs annähernd zeitlich linear ansteigendem Gasdruck am Hochdruck-Ausgang typischerweise ein nichtlinearer Zeitverlauf der Gasströmrate. Ein solcher nicht linearer Zeitverlauf einer Gasströmrate kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch gezielte zeitveränderliche Steuerung der Ventileinrichtung bzw. deren Strömungswiderstand auf vorteilhaft einfache Weise nachgebildet werden.
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Die Steuerung der Ventileinrichtung erfolgt in für Stellventile gebräuchlicher Weise durch Ansteuerung eines Stellantriebs mit einem zeitveränderlichen Stellsignal. Eine Steuereinrichtung zur Erzeugung des Stellsignals kann dauerhaft mit der die Ventileinrichtung und den Strömungsweg enthaltenden Vorrichtung verbunden sein, ist aber bevorzugt als eine von der Vorrichtung lösbare und mit dieser über eine drahtlose oder vorzugsweise leitungsgebundene Datenkommunikationsverbindung verbindbare elektronische Steuereinrichtung ausgeführt. Eine solche elektronische Steuereinrichtung umfasst vorteilhafterweise Anzeigemittel und/oder Eingabemittel und ist vorzugsweise als ein tragbarer Computer ausgebildet und über eine standardisierte Datenschnittstelle mit der Testvorrichtung für die Durchführung von Testvorgängen verbindbar. Die Steuereinrichtung kann auch in Teilen ihrer Funktion mit einem die Ventileinrichtung enthaltenden Gehäuse dauerhaft verbunden und mit anderen funktionalen Teilen von dem Gehäuse getrennt sein.
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Eine Ansteuerung des Stellantriebs der Ventileinrichtung erfolgt vorteilhafterweise nach einer in der elektronischen Steuereinrichtung vorgebbaren Steuervorschrift. Vorteilhafterweise können mehrere unterschiedliche Steuervorschriften wählbar vorgegeben sein.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Steuervorschrift als eine Nachbildung eines Befüllvorgangs eines definierten Behälters, insbesondere eines definierten Fahrzeug-Gastanks vorgegeben. Für unterschiedliche Behältertypen können in erster vorteilhafter Ausführung mehrere unterschiedliche, den einzelnen Behältertypen zugeordnete Steuervorschriften wählbar vorgegeben sein, welcher je nach Behältertyp einen anderen Zeitverlauf eines Befüllvorgangs nachbilden. In anderer vorteilhafter Ausführung kann auch eine Steuervorschrift für mehrere unterschiedliche Behälter gemeinsam vorgesehen und wenigstens einen veränderlich vorgebbaren Parameter, welcher vom Benutzer der Text-Vorrichtung einstellbar ist, enthalten.
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Eine Steuervorschrift kann in vorteilhafter Weiterbildung auch einen veränderlich vorgebbaren Parameter enthalten, welcher einen Restfüllstand eines Behälters für die Nachbildung eines Befüllvorgangs repräsentiert. Ein weiterer veränderlicher Parameter kann die vor Beginn des Befüllvorgangs gegebene Temperatur im zu befüllenden Behälter sein, welche näherungsweise als die Umgebungstemperatur angenommen werden kann.
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Durch die zeitlich veränderbare Einstellbarkeit des Strömungswiderstands der Ventileinrichtung können vorteilhafterweise weitgehend beliebige Befüllvorgänge von Behältern hinsichtlich des Zeitverlaufs von wesentlichen physikalischen Kenngrößen des Gasstroms am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage auf einfache und flexible Weise nachgebildet werden, ohne entsprechende Behältertypen selbst bereit zu halten.
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Vorteilhafterweise kann wenigstens eine Steuervorschrift vorgegeben sein, welche eine Gasentnahmesituation mit einer über die Befüllung eines Behälters hinausgehende Gasentnahmesituation nachbildet, wie sie z. B. im Realfall durch zeitlich kurz aufeinander folgende Betankung mehrerer Fahrzeugtanks auftreten kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung kann wenigstens eine Steuervorschrift vorgesehen sein, welche einen Störfall während eines Befüllvorgangs nachbildet, z. B. mit plötzlichem starkem Anstieg der Strömungsrate oder plötzlichem Druckabfall aufgrund eines Lecks.
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Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit oder ohne Gasauffangbehälter als Gassenke am Ausgang des Strömungswegs betreibbar. Das aus der Befüllanlage entnommene und durch den Strömungsweg mit der Ventileinrichtung geleitete Gas kann in die Umgebungsluft abgegeben werden, wo es sich schnell verteilt. Der Ausgang des Strömungswegs ist dann immer im wesentlichen auf Normaldruck. Die nach Maßgabe einer Steuervorschrift gesteuerte Ventileinrichtung kann dann z. B. bei durch die Befüllanlage vorgegebenem Zeitverlauf des Gasdrucks am Hochdruck-Ausgang als Nachbildung eines Befüllvorgangs den Zeitverlauf der Strömungsrate des Gasstroms bestimmen, wie er bei Befüllen eines Behälters mit steigendem Gegendruck aufträte.
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Das den Strömungsweg durchströmende Gas kann in anderer vorteilhafter Ausbildung auch in eine an einen Ausgangsanschluss des Strömungswegs anschließbare Auffangbehälteranordnung geführt werden, welche z. B. durch einen großvolumigen Einzelbehälter oder eine Gruppe von mehreren Behältern, insbesondere ein Gasflaschen-Bündel gebildet sein kann. Ein dabei sich in der Auffangbehälteranordnung aufbauender Gegendruck ist dann typischerweise bei der Erzeugung des Stellsignals mit zu berücksichtigen. Die Ableitung in einen Auffangbehälter kann auch mit der Ableitung in die Umgebungsluft kombiniert sein.
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Vorteilhafterweise enthält die Vorrichtung eine Messeinrichtung, welche zur Messung wenigstens einer physikalischen Kenngröße des Gasstroms an wenigstens einer Position des Strömungswegs während eines Befüllvorgangs ausgebildet ist. Mittels der Messeinrichtung gewonnene Messwerte sind vorteilhafterweise der elektronischen Steuereinrichtung zugeführt.
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Die mittels der Messeinrichtung gewonnenen Messwerte können zum einen zur Protokollierung eines Testvorgangs gespeichert und/oder ausgewertet werden.
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Die mittels der Messeinrichtung gewonnenen Messwerte können insbesondere bei der Erzeugung des den Stellantrieb der Ventileinrichtung ansteuernden Stellsignals berücksichtigt werden.
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Die Messeinrichtung kann in vorteilhafter Ausführung einen ersten Druckmesssensor enthalten, welcher vorzugsweise stromaufwärts der Ventileinrichtung angeordnet ist und damit im wesentlichen den Druck am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage misst. Insbesondere bei von der Befüllanlage zeitveränderlich vorgegebenem Gasdruck am Hochdruck-Ausgang kann das Stellsignal nach Maßgabe der Steuervorschrift in Abhängigkeit vom aktuell gemessenen Gasdruck erzeugt sein. In vorteilhafter Weiterbildung kann ein weiterer Druckmesssensor stromabwärts der Ventileinrichtung vorgesehen sein, so dass z. B. bei Anschluss einer Auffangbehälteranordnung am Ausgang des Strömungswegs der sich aufbauende Gegendruck gemessen und die über der Ventileinrichtung auftretende Druckdifferenz bei der Erzeugung des Stellsignals für z. B. die Einstellung einer gewünschten Strömungsrate mit berücksichtigt werden kann. Falls die Druckdifferenz für eine nach Maßgabe der Steuervorschrift einzustellende Strömungsrate zu gering wird, kann eine Bypass-Öffnung vorgesehen sei, über welche Gas vom stromabwärts der Ventileinrichtung liegenden Teil des Strömungswegs nicht in die Auffangbehälteranordnung sondern in die Umgebungsluft geleitet wird.
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Die Messeinrichtung kann vorteilhafterweise einen Strömungsmesssensor enthalten, welcher zur Messung der Strömungsrate des Gasstroms als Volumenstrom oder Massestrom eingerichtet ist. Der Strömungsmesssensor ist vorzugsweise in dem stromabwärts der Ventileinrichtung und somit auf der Niederdruckseite des Strömungswegs angeordnet.
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Die Messeinrichtung kann vorteilhafterweise wenigstens einen Temperatursensor enthalten, welcher vorzugsweise in dem stromaufwärts der Ventileinrichtung liegenden Abschnitt des Strömungswegs angeordnet ist.
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In bevorzugter Ausführung können die Messeinrichtung, die elektronische Steuereinheit und die Ventileinrichtung in einem Regelkreis liegen, in welchem die von der Messeinrichtung gewonnenen Messwerte die IST-Werte zu durch die Steuervorschrift vorgegebenen SOLL-Werten physikalischer Kenngrößen oder Kombinationen solcher Kenngrößen bilden und das Stellsignal im wesentlichen in Echtzeit so nachgeführt wird, dass die IST-Werte den SOLL-Werten entsprechen bzw. nahe kommen. Insbesondere vorteilhaft ist die Vorgabe eines von der Zeit und/oder von dem Ausgangsdruck der Befüllanlage abhängigen Verlauf der Strömungsrate des Gases als Steuervorschrift und die Regelung der Strömungsrate über die Stellung der Ventileinrichtung.
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Ein die Ventileinrichtung mit Stellantrieb, den Strömungsweg und vorzugsweise auch die Messeinrichtung umfassendes Vorrichtungsgehäuse kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhafterweise mit geringem Gewicht und Volumen ausgeführt sein, so dass die Vorrichtung typischerweise von einer oder höchstens zwei Personen getragen und danach im mobilen Einsatz einfach handhabbar ist.
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Die Steuereinrichtung kann in vorteilhafter Weiterbildung zum Datenaustausch mit einer Messeinrichtung und/oder Datumvorbereitungseinrichtung der zu prüfenden Befüllanlage über eine leitungsgebundene und/oder drahtlose Verbindung eingerichtet sein.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
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1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Test-Vorrichtung,
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2 Zeitverläufe von Signalen.
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1 zeigt schematisch eine Test-Vorrichtung TV mit einer externen, über eine Datenkommunikationsleitung DL mit der Vorrichtung TV verbundenen elektronischen Steuereinrichtung ES. Die Vorrichtung TV weist in einem schematisch angedeuteten Gehäuse, welches auch mehrteilig sein kann, einen Eingangsanschluss EA und einen Ausgangsanschluss AA auf, welche gasleitend über einen Strömungsweg verbunden sind. In dem Strömungsweg ist ein mittels eines Stellantriebs VA veränderlich einstellbares Stellventil SV angeordnet. Die Strömungsrichtung verläuft vom Eingangsanschluss EA zum Ausgangsanschluss AA des Strömungswegs, welcher in einen ersten Abschnitt WH stromaufwärts des Stellventils SV und einen zweiten Abschnitt WL stromabwärts des Stellventils unterteilt ist. Der Eingangsanschluss EA wird für einen Testvorgang zum Prüfen von Funktion und/oder Befüllcharakteristik über eine Zapfleitung ZL, welche insbesondere eine Schlauchleitung sein kann, mit einer schematisch angedeuteten Gastankstelle GZ verbunden.
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Der Ausgangsanschluss AA kann mittels einer gasführenden Leitung AL mit einer Auffangbehälteranordnung AB, beispielsweise einem Bündel von Gasflaschen, verbindbar sein. Der Ausgangsanschluss AA des Strömungswegs kann in anderer Betriebsart auch unmittelbar in die Umgebungsluft enden, so dass während eines Testvorgangs Gas GU an die Umgebungsluft abgegeben wird. Beide Betriebsweisen können auch miteinander in der Weise verbunden sein, dass die Überleitung von Gas vom Ausgangsanschluss AA über eine Leitung AL in eine Auffangbehälteranordnung AB die Standard-Betriebsart bildet und eine Abgabe von Gas GU an die Umgebung zusätzlich erfolgen kann, um in dem zweiten Abschnitt WL des Strömungswegs einen niedrigeren Druck als in der Auffangbehälteranordnung AB zu erzielen.
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Die Vorrichtung TV enthält entlang des Strömungswegs im skizzierten Beispiel einen ersten Druckmesssensor SPH und einen Temperaturmesssensor ST stromaufwärts des Stellventils SV. Stromabwärts des Stellventils sind ein zweiter Druckmesssensor SPL und ein Strömungsmesssensor SF angeordnet. Die genannten Sensoren bilden eine Messeinrichtung der Vorrichtung TV. Die Messeinrichtung kann auch nur einen Teil der beispielhaft angeführten Messsensoren und/oder weitere Messsensoren enthalten.
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Der Strömungswiderstand der Zapfleitung ZL und der Strömungsabschnitte WH, WL der Vorrichtung TV seien der Einfachheit halber als konstant angenommen und für die nächstfolgenden Ausführungen wenn nicht anders angegeben gegenüber dem veränderlich einstellbaren Strömungswiderstand des Stellventils SV vernachlässigt. Dann ist der von dem ersten Druckmesssensor SPH gemessene Druck PH gleich dem Ausgangs-Gasdruck der Befüllanlage GZ an deren Hochdruck-Ausgang. In 2(A) ist ein typischer Zeitverlauf PN des Druckmesswerts PH über der Zeit t für eine gängige Betriebsart von Gastankstellen skizziert. Der Druck steigt während eines Betankungsvorgangs im wesentlichen linear an bis zu einem maximalen Druck PM, bei welchem der Befüllvorgang abgebrochen oder über eine begrenzte Zeit fortgesetzt werden kann. Die Zeitdauer TM bis zum Erreichen des Maximaldrucks PM am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage beträgt für die Betankung von gasbetriebenen PKW typischerweise ca. drei Minuten. Der Maximaldruck PM kann typischerweise annähernd 1 kbar betragen.
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In 2(A) ist zusätzlich ein Druckwert RD eingezeichnet. Ein solcher Druckwert sei für den Fall eines Befüllvorgangs mit einer Restfüllmenge an Gas in dem zu befüllenden Behälter angenommen. Die Restfüllmenge korrespondiert mit einem Restdruck RD in dem Behälter.
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2(B) zeigt schematisch einen den Druckverlauf PN zugeordneten Zeitverlauf QN eines zum Strömungswiderstand als reziprok angenommenen Strömungsquerschnitts des Stellventils SV zwischen dem ersten Abschnitt WH und dem zweiten Abschnitt WL des Strömungswegs. Der Zeitverlauf QN ist lediglich schematisch, nicht aber quantitativ zu verstehen. Auf der Ordinate der 2(B) ist das Stellsignal AS, welches dem Stellantrieb VA des Stellventils SV von der elektronischen Steuereinrichtung ES zugeleitet ist, aufgetragen, welches für den Zweck dieser Darstellung als proportional zum Strömungsquerschnitt angenommen sei.
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Zu Beginn des Befüllvorgangs eines leeren Behälters setzt dieser dem einströmenden Gas nahezu keinen Widerstand entgegen, so dass mit ansteigendem Ausgangsdruck der Gastankstelle die Strömungsrate des aus der Gastankstelle in den Behälter strömenden Gases schnell ansteigen kann. Mit zunehmender Befüllung des Behälters setzt dieser dem nachströmenden Gas den bereits im Behälter vorherrschenden Druck entgegen, welcher durch die Erwärmung des Gases im Behälter während des Befüllvorgangs schneller ansteigt als die eingefüllte Gasmasse. Gegen Ende des Befüllvorgangs, insbesondere nach Erreichen und Halten des maximalen Abgabedrucks PM der Gastankstelle kann die Strömungsrate des in den Behälter strömenden Gases bis zum Ende des Befüllvorgangs auch wieder abnehmen. Ein bei der Befüllung eines leeren Behälters typischer Zeitverlauf einer beispielsweise durch den Strömungsmesssensor SF gemessenen Strömungsrate ist in 2(C) als Kurvenverlauf FN dargestellt. Die Strömungsrate FL kann als Volumenstrom oder vorzugsweise als Massenstrom gemessen werden. Volumenstrom und Massenstrom sind über Temperatur und Druck des Gasstromes miteinander verknüpft. Messsensoren für Strömungsraten eines Gasstroms sind insbesondere als Massenstromsensoren gebräuchlich, wobei unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz kommen können.
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Für die Nachbildung des geschilderten Befüllvorgangs eines anfänglich leeren, zu befüllenden Behälters ist das Stellventil SV zu Beginn des Befüllvorgangs auf einen maximalen Durchlassquerschnitt entsprechend einem minimalen Strömungswiderstand eingestellt, was in 2(B) durch einen Maximalwert QM für das Stellsignal AS dargestellt sei. Es sei dabei von der Betriebsart mit in die Umgebungsluft abgegebenem Gas GU am Ausgangsanschluss AA der Vorrichtung TV ausgegangen, so dass im zweiten Abschnitt WL des Strömungswegs im wesentlichen ein dem Umgebungsdruck entsprechender Gasdruck herrscht.
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Für die Nachbildung des im Realfall sich im zu befüllenden Behälter aufbauenden Gasdrucks wird beim Einsatz der Test-Vorrichtung TV mit der elektronischen Steuereinrichtung ES im Zeitverlauf über den Befüllvorgang das Stellventil SV über ein zeitveränderliches Stellsignal AS so eingestellt, dass sich der Strömungswiderstand bzw. der Durchlassquerschnitt des Stellventils während des nachgebildeten Befüllvorgangs so verändert, dass die Strömungsrate des Gases durch den Strömungsweg mit dem Stellventil nach einem als Steuervorschrift vorgebbaren Verlauf erfolgt, insbesondere nicht in gleichem Maße ansteigt wie der von der Gastankstelle nach 2(A) vorgegebene Druck am Hochdruck-Ausgang der Gastankstelle und im ersten Abschnitt WH des Strömungswegs. Nachfolgend sei, soweit nicht anders angegeben, ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Befüllanlage einen zeitabhängigen, insbesondere monoton ansteigenden Gasdruck an ihrem Hochdruck-Ausgang vorgibt, und dass als wenigstens eine Steuervorschrift zur Nachbildung eines Befüllvorgangs eine Zuordnung von einzustellender Strömungsrate zu dem von der Befüllanlage vorgegebenen Gasdruck PN=PH(t) vorliegt.
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In bevorzugter Ausbildung der Test-Vorrichtung einschließlich der Steuereinrichtung ES wird das Stellsignal AS für den Stellantrieb AV des Stellventils in einem Regelkreis erzeugt, bei welchem ein SOLL-Zeitverlauf einer Kenngröße des Befüllvorgangs, insbesondere gemäß dem gegebenen Beispiel einem SOLL-Zeitverlauf der Strömungsrate in Abhängigkeit vom zeitveränderlichen Druck PH am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage, mit einem IST-Verlauf der betreffenden Kenngröße, also im angeführten Beispiel der Strömungsrate des Gases verglichen wird und das Stellsignal AS so erzeugt wird, dass der jeweilige IST-Wert der Strömungsrate möglichst gut mit dem durch die Steuervorschrift in Zuordnung zum Druck PH vorgegebenen SOLL-Wert der Strömungsrate übereinstimmt. Als SOLL- und/oder IST-Werte können auch Kombinationen von Kenngrößen des Gasstroms vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise enthält die Messeinrichtung hierfür einen Strömungsmesssensor SF, welcher die Strömungsrate des Gasstroms durch den Strömungsweg fortlaufend ermittelt und als zeitveränderlichen Messwert FL an die elektronische Steuereinrichtung ES abgibt, welche das Stellsignal AS so nachführt, dass der Messwert FL als IST-Wert möglichst gut mit einem durch die Steuervorschrift vorgegebenen SOLL-Wert übereinstimmt. Strömungsmesssensoren für Gasströme sind insbesondere als Massenstromsensoren gebräuchlich, so dass mit dem Messwert FL als Sensorsignal bereits unmittelbar ein IST-Wert vorliegt.
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Der Verlauf des Gasdrucks im ersten Abschnitt WH wird fortlaufend durch den ersten Druckmesssensor SPH bestimmt und als Messwertsignal PH über die Datenkommunikationsleitung DL an die Steuereinrichtung ES geleitet. Aus diesem Druckmesswert PH und wenigstens einem in der Messeinrichtung als Messwert gewonnenen IST-Wert einer Kenngröße des Gasstroms, kann in der Steuereinrichtung ES ein Stellsignal AS so erzeugt werden, dass zu jedem Druckwert ein in der Steuervorschrift weitgehend beliebig vorgebbarer Wert für die Kenngröße, vorzugsweise der Strömungsrate als Massenstrom erreicht wird. Insbesondere kann auf diese Weise durch fortlaufende Messung des Drucks PH mittels des ersten Druckmesssensors SPH eine mit dem Zeitverlauf PN des Drucks PH nach 2(A) korrespondierende, den Befüllvorgang eines leeren Behälters nachbildende zeitveränderliche Strömungsrate, in 2(C) repräsentiert durch den Verlauf FN einer Strömungsrate FL eingeregelt werden. Für die Einregelung wird vorzugsweise mittels des Strömungsmesssensors SF eine Strömungsrate, insbesondere ein Massenstrom als Kenngröße gemessen und im Regelkreis als IST-Wert verarbeitet und mit FN=FL(PH) als SOLL-Wert verglichen, um das Stellsignal AS für den Stellantrieb AV des Stellventils SV nachzuführen.
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Anstelle der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführung mit Erzeugung des Stellsignals AS über eine IST-Wert-Messung in einem Regelkreis kann in anderer Ausführung das Stellsignal auch als nicht geregeltes Steuersignal nach Maßgabe einer Steuervorschrift in der Steuereinrichtung erzeugt sein. Dabei ist vorausgesetzt, dass die Durchlass-Charakteristik des Stellventils SV als Strömungsrate in Abhängigkeit von der über dem Stellventil abfallenden Druckdifferenz als z. B. aus Eichmessungen bekannt angenommen werden kann.
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Bei der Betriebsart mit am Ausgangsanschluss AA des Strömungswegs in die Umgebungsluft abgegebenen Gas GU ist das Druckgefälle über dem Steuerventil im wesentlichen gleich dem Druck PH stromaufwärts des Steuerventils, so dass aus der Messung des Drucks PH und der bekannten Durchlass-Charakteristik des Steuerventils unmittelbar ein Stellsignal AS erzeugbar ist.
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In der alternativen Betriebsart, in welcher das den Strömungsweg mit dem Stellventil SV durchströmende Gas am Ausgangsanschluss AA der Vorrichtung TV über eine Leitung AL auf eine Auffangbehälteranordnung geleitet wird, baut sich während eines Testvorgangs in der Auffangbehälteranordnung AB und damit in dem zweiten Abschnitt WL des Strömungswegs ein Gegendruck auf. Die Strömungsrate ist dann bestimmt durch die Stellposition des Stellventils SV und dem Druckgefälle über dem Stellventil, welches als Differenz zwischen dem höheren Druck PH beim ersten Druckmesssensor SPH und dem niedrigeren Druck PL am zweiten Druckmesssensor SPL gemessen werden kann. Die Druckmesswerte PH und PL sind dann der elektronischen Steuereinrichtung ES zugeführt, welche aus den Messwerten und einem angestrebten Zeitverlauf FN der Strömungsrate FL nach 2(C) ein zeitveränderliches Stellsignal AS zur Ansteuerung des Stellantriebs VA für eine zeitveränderliche Einstellung des Strömungswiderstands des Stellventils erzeugt.
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Der Zeitverlauf des Stellsignals AS unterscheidet sich in den Betriebsarten mit Gasüberleitung in eine Auffangbehälteranordnung bzw. der drucklosen Ausgabe an die Umgebungsluft, insbesondere dahingehend, dass zur Einstellung derselben Strömungsrate bei demselben Druck PH das Stellsignal AS bei Gasüberleitung in eine Auffangbehälteranordnung so erzeugt ist, dass ein größerer Strömungsquerschnitt bzw. ein kleinerer Strömungswiderstand des Stellventils über den Stellantrieb VA eingestellt wird als in der Betriebsart mit drucklos an die Umgebung abgegebenem Gas GU. Es kann auch in der Betriebsart mit Überleitung des Gases in eine Auffangbehälteranordnung AB ein beliebiger Zeitverlauf der Strömungsrate nachgebildet werden, wobei lediglich die Bedingung eines ausreichenden Druckgefälles über dem Stellventil als Druckdifferenz PH–PL erfüllt sein muss.
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Vorteilhafterweise kann in einer in der elektronischen Steuereinrichtung ES vorgebbaren oder vorgegeben gespeicherten Steuervorschrift ein zeitveränderlicher Verlauf der Strömungsrate FN in Abhängigkeit von der Zeit t oder im skizzierten Beispielsfall bevorzugt in Abhängigkeit von dem nach PN zeitveränderlichen Druckwert PH enthalten. Die Steuereinrichtung ES, welcher zumindest der zeitveränderliche Druckmesswert PH zugeführt ist, ermittelt aus der Steuervorschrift und dem Druckmesswert PH, gegebenenfalls unterer weiterer Berücksichtigung eines Druckmesswerts PL bei im zweiten Abschnitt WL des Strömungsweg sich aufbauendem Gegendruck, ein zeitveränderliches Stellsignal AS, welches dem Stellantrieb VA des Stellventils SV zugeleitet ist und das Stellventil SV so einstellt, dass sich der gewünschte Wert der Strömungsrate einstellt.
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In 2(A) ist mit RD ein Anfangsdruck entsprechend der Situation einer Restmenge von Gas in einem zu befüllenden Gasbehälter eingetragen. Bei einem Befüllvorgang eines solchen Behälters mit einer Restmenge an Gas und somit einem Restdruck RD im zu befüllenden Behälter tritt beim realen Befüllvorgang ein Gasstrom aus der Befüllanlage in den zu befüllenden Behälter erst auf, wenn der nach 2(A) zeitveränderliche Ausgangsdruck der Befüllanlage den im zu befüllenden Behälter bereits vorherrschenden Restdruck RD erreicht und übersteigt. In 2(C) ist ein anfänglicher Zeitverlauf der Strömungsrate des Gasstroms in einen solchen, eine Restmenge enthaltenden Behälter mit unterbrochener Linie als anfänglicher Verlauf FR dargestellt. Mit weiter ansteigendem Druck PH sei angenommen, dass sich dann die Zeitverläufe der Strömungsrate zu anfänglich leerem Behälter bzw. zu anfänglich eine Restmenge enthaltendem Behälter weitgehend angleichen.
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Für die Nachbildung eines solchen Befüllvorgangs eines Behälters mit einer anfänglichen Restmenge und einem anfänglichen Restdruck RD sperrt während eines Anfangsabschnitts eines Testvorgangs die Vorrichtung TV bzw. das Stellventil SV den Strömungsweg ab. Wenn der Druckmesswert PH einen angenommenen Restdruck RD erreicht und übersteigt, wird das Steuerventil schnell auf einen großen Durchlassquerschnitt bzw. kleinen Strömungswiderstand umgestellt, was in 2(B) als Verlauf QR mit unterbrochener Linie dargestellt ist. Bei weiter zunehmendem Druck PH gemäß dem Zeitverlauf des Ausgangsdrucks der Befüllanlage nach 2(A) sei wieder eine weitgehende Angleichung des Ausgangssignals AS an den Fall der Nachbildung des Befüllvorgangs eines anfänglich leeren Behälters angenommen.
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Für die Nachbildung eines Befüllvorgangs eines anfänglich eine Restmenge bzw. einen Restdruck aufweisenden, zu befüllenden Behälters kann in der Steuereinrichtung ES eine gesonderte Steuervorschrift vorgegeben sein. In bevorzugter Ausführungsform kann eine Steuervorschrift im parametrisierter Form vorgegeben sein, bei welcher der Benutzer, insbesondere über eine Eingabemaske, für die Ausgangssituation eines nachzubildenden Befüllvorgangs wenigstens einen Parameter veränderlich vorgeben kann. Beispielsweise kann eine anfängliche Restmenge als absolute Gasmenge oder als auf z. B. das Behältervolumen prozentual bezogene relative Angabe vorgebbar sein. Eine weitere, für die Nachbildung eines Befüllvorgangs u. U. maßgebliche Kenngröße des zu befüllenden Behälters ist die anfängliche Temperatur im Behälter, welche für einen Kraftfahrzeug-Gastank als im wesentlichen gleich zur Umgebungstemperatur angenommen werden kann. Schließlich kann auch noch die Behältergröße selbst als Parameter einer für unterschiedliche Behältergrößen gemeinsamen Steuervorschrift veränderlich vorgebbar sein.
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Anstelle parametrisierter Prüfvorschriften können auch eine Mehrzahl von diskreten und einzeln wählbaren Steuervorschriften mit jeweils unterschiedlichen Parameterkombinationen vorgegeben sein.
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Für Gastankstellen sind Ausführungen bekannt, bei welchen die Gastankstelle vor Einleitung des eigentlichen Befüllvorgangs einen impulsförmigen Gasstoß in den zu befüllenden Tank abgibt, um den anfänglichen Füllzustand zu ermitteln. Ein solcher Gasstoß als Messimpuls kann in die Steuervorschrift für die Nachbildung mit einbezogen werden. In anderer Ausführung kann auch vorgesehen sein, für die Prüfung der Befüllanlage unter Nachbildung eines Befüllvorgangs den anfänglichen Gasstoß gezielt abzuschalten.
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Während in der bevorzugten Darstellung nach 2 mit durch die Befüllanlage vorgegebenem, insbesondere nach 2(A) monoton ansteigenden Druck am Hochdruck-Ausgang der Befüllanlage für die Nachbildung eines Befüllvorgangs vorzugsweise ein Zeitverlauf der Strömungsrate in einer Steuervorschrift vorgegeben und insbesondere als zeitveränderlicher Strömungsratenwert dem zeitveränderlichen Druckwert PH zugeordnet ist und das Stellsignal AS so erzeugt wird, dass sich die gewünschte Zuordnung von Strömungsrate FL zu Druck PH nach PN und FN einstellt, können, insbesondere bei anderen Befüllcharakteristiken von Befüllanlagen, auch andere Zuordnungen in Steuervorschriften enthalten sein. Beispielsweise kann durch Integration der über die Strömungsrate gemessenen Gasmenge auch eine Zuordnung einer SOLL-Strömungsrate zu Druck PH und durch Integration ermittelter Füllmenge im zu befüllenden Behälter erfolgen und als Steuervorschrift vorgegeben bzw. vorgebbar sein.
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Die Messeinrichtung kann wie in 1 dargestellt ferner einen Temperaturmesssensor ST enthalten, welcher die Temperatur des Gases stromaufwärts des Stellventils SV misst. Der gemessene Temperaturwert TH kann insbesondere zur Funktionskontrolle der Temperaturregelung einer Kühleinrichtung auf Seiten der Befüllanlage GZ dienen und/oder als zusätzlicher Messwert für die Erzeugung des Stellsignals AS berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Temperatur des Gases stromaufwärts des Stellventils SV im Realfall den Temperaturverlauf und damit auch den Druckverlauf in einem Behälter bei einem realen Befüllvorgang beeinflussen, so dass im realen Befüllvorgang durch unterschiedlich schnellen Anstieg des Gegendrucks im Behälter auch der Zeitverlauf FN der Strömungsrate FL unterschiedlich ausfallen kann. Für die Nachbildung eines Befüllvorgangs durch die Test-Vorrichtung kann dann mit Kenntnis der Temperatur TH stromaufwärts des Stellventils SV bei einem Testvorgang die zeitabhängige Strömungsrate unter Berücksichtigung der gegebenenfalls gleichfalls zeitlich variierenden Temperatur TH eingestellt werden, indem das dem Stellantrieb VA zugeführte Stellsignal AS unter Berücksichtigung die gemessene Temperatur TH erzeugt wird. Die Messung von Temperatur und/oder Druck kann auch bei der Messung der Strömungsrate in einem Strömungsmesssensor integriert sein, so dass in 1 als getrennt dargestellte Messsensoren auch in Sensorbaugruppen zusammengefasst sein können.
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Die elektronische Steuereinrichtung ES kann vorteilhafterweise als ein tragbarer Computer ausgebildet sein, in welchem ein Programm zur Ausführung der Ansteuerung des Stellantriebs VA geladen und auf dem Computer ausgeführt werden kann. Datenkommunikationsverfahren sind sowohl drahtgebunden als auch drahtlos nach unterschiedlichen Protokollen und Schnittstellendefinitionen an sich bekannt und für einen Aufbau der Testvorrichtung mit von der Vorrichtung TV getrennter und über eine lösbare Datenkommunikationsleitung DL, die auch als drahtlos verstanden werden kann, verbindbarer Steuereinrichtung verwendbar. Die Steuereinrichtung ES zeichnet vorzugsweise auch die Zeitverläufe der verschiedenen in der Messeinrichtung während eines Testvorgangs gewonnenen Messwerte als Testprotokolle auf. Teile einer Steuereinrichtung oder Regelung können auch in die Vorrichtung TV verlagert sein, so dass beispielsweise die Steuereinrichtung ES als Stellsignal AS nur eine Vorstufe des den Stellantrieb VA ansteuernden Signals liefert und diese Singalvorform des Stellsignals AS in der Vorrichtung PV selbst anhand der in der Messeinrichtung gewonnenen Messwerte zur Erzeugung eines Ansteuersignals für den Stellantrieb VA benutzt wird. Insbesondere kann bei Vorliegen eines Regelkreises, beispielsweise zur Einstellung einer gewünschten, zeitabhängigen Strömungsrate, die Funktion der Steuereinheit so auf die separate Einrichtung ES und die Vorrichtung TV verteilt sein, dass die Einrichtung ES als von der Vorrichtung TV getrennte Anzeige- und Bedieneinheit lediglich die SOLL-Werte für die Strömungsrate zeitveränderlich vorgibt und in der Vorrichtung TV selbst eine Verarbeitung der SOLL-Werte und der im Strömungssensor SF gemessenen IST-Werte FL zur Einregelung der Strömungsrate durch Nachstellen des Steuerventils SV erfolgt.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19650999 C1 [0002]
- WO 2008/110240 A1 [0004]
