DE102011079983A1

DE102011079983A1 - measuring device

Info

Publication number: DE102011079983A1
Application number: DE102011079983A
Authority: DE
Inventors: Christian Ziegler; Christian Venzke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013953A1

Abstract

Messeinrichtung zum Messen eines Drucks mit einem Messkörper. Erfindungsgemäß wird eine Messeinrichtung zum Messen eines Drucks angegeben, die bei einem einfachen Aufbau ein zuverlässiges Betriebsverhalten aufweist. Erreicht wird dies dadurch, dass der Messkörper als rohrförmiges Bauteil 7 ausgebildet zu einer Endfläche hin einen den Innenraum des Bauteils 7 verschließenden Deckel 9 aufweist, dass das Bauteil 7 auf der gegenüberliegenden Endfläche zu dem Deckel 9 eine Referenzpositionsmarke 8 aufweist und, dass das Bauteil 7 im Bereich des Deckels 9 mit einem Längenmesssystem 10 verbunden ist.Measuring device for measuring a pressure with a measuring body. According to the invention, a measuring device for measuring a pressure is specified, which has a reliable performance with a simple structure. This is achieved in that the measuring body has a cover 9 closing the interior of the component 7 as a tubular component 7, that the component 7 has a reference position mark 8 on the opposite end surface to the cover 9, and that the component 7 is connected in the region of the lid 9 with a length measuring system 10.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen eines Drucks mit einem Messkörper. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines solchen Drucks.The present invention relates to a measuring device for measuring a pressure with a measuring body. Furthermore, the invention relates to a method for measuring such a pressure.

Stand der TechnikState of the art

Eine derartige Messeinrichtung in Form einer Hochdruckmesseinrichtung für ein Fluid ist aus der DE 100 18 618 B4 bekannt. Diese Hochdruckmesseinrichtung weist als Messkörper ein rohrförmiges Bauteil auf, das ein Hochdruckfluid enthält und dessen Druck gemessen werden soll. Dazu ist das Ende des rohrförmigen Bauteils mit einer Druckkammer ausgestattet, an die ein piezoelektrisches Element anschließt. Dieses piezoelektrische Element wird von einem Halter, der mit dem rohrförmigen Bauteil verschraubt ist, dichtend mit dem Bauteil verspannt. Das piezoelektrische Element ist mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden, die in Abhängigkeit von einer Änderung der Wölbung und einer hierdurch bedingten Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elements ein Drucksignal erzeugt. Dazu ist das piezoelektrische Element dem Fluiddruck in dem rohrförmigen Bauteil unmittelbar ausgesetzt und zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils und einer mutterartigen Klammer unter Kompression einer Dichtung eingespannt. Die Dichtung dichtet das Innere des rohrförmigen Bauteils gegenüber der Umgebung ab. Diese Hochdruckmesseinrichtung ist zur Messung von einem Druck von bis zu 3.000 bar ausgelegt.Such a measuring device in the form of a high-pressure measuring device for a fluid is known from DE 100 18 618 B4 known. As a measuring body, this high-pressure measuring device has a tubular component which contains a high-pressure fluid and whose pressure is to be measured. For this purpose, the end of the tubular member is equipped with a pressure chamber, which is followed by a piezoelectric element. This piezoelectric element is clamped by a holder which is screwed to the tubular member, sealed to the component. The piezoelectric element is connected to an electronic evaluation circuit which generates a pressure signal in response to a change in the curvature and a change in an electrical property of the piezoelectric element caused thereby. For this purpose, the piezoelectric element is directly exposed to the fluid pressure in the tubular member and clamped between the front end of the tubular member and a nut-like clamp under compression of a seal. The seal seals the interior of the tubular member from the environment. This high-pressure measuring device is designed for measuring pressures up to 3,000 bar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zum Messen eines Drucks beziehungsweise ein Verfahren zum Messen eines Drucks anzugeben, die beziehungsweise das bei einem einfachen und kostengünstig darstellbaren Aufbau ein zuverlässiges Betriebsverhalten aufweist.The invention has for its object to provide a measuring device for measuring a pressure or a method for measuring a pressure, which has or in a simple and cost-representable design a reliable performance.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Messkörper an einer ersten Endfläche ortsfest und an einer von der ersten Endfläche getrennten und beabstandeten zweiten Endfläche durch eine Druckbeaufschlagung dehnbar ausgebildet ist und Mittel zur Längenmessung vorgesehen sind, die eine durch die Druckbeaufschlagung bedingte Abstandsänderung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche des Messkörpers erfassen. Entsprechend wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer derartig ausgestalteten Messeinrichtung eine Längenänderung des Messkörpers zur Ermittlung eines in dem Messkörper herrschenden Druckes gemessen. Grundsätzlich lässt sich mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung der Druck eines Gases oder eines Fluids, insbesondere aber der eines Fluids, in einem Messkörper in Zusammenhang mit einer Versuchsanordnung, einer Bearbeitungsanlage oder aber auch im normalen Einsatzbetrieb messen. Besonders vorteilhaft ist die Messeinrichtung aber als Hochdruckmesseinrichtung ausgebildet im Zusammenhang mit einer Bearbeitungsanlage einsetzbar. Hierbei ist die Bearbeitungsanlage mit einem beliebigen Rohr verbunden, wobei das beliebige Rohr wie nachfolgend noch ausgeführt wird, bearbeitet wird.This object is achieved in that the measuring body is stationary at a first end face and extensible formed by a pressurization on a second end face separated and spaced from the first end face, and means for measuring length are provided, the distance change between the first end face caused by the pressurization and the second end surface of the measuring body detect. Accordingly, according to the method according to the invention with a measuring device designed in this way, a change in length of the measuring body for determining a pressure prevailing in the measuring body is measured. Basically, with the measuring device according to the invention, the pressure of a gas or a fluid, but especially of a fluid, can be measured in a measuring body in connection with a test arrangement, a processing plant or even in normal operation. However, the measuring device can be used in a particularly advantageous manner as a high-pressure measuring device in connection with a processing system. Here, the processing plant is connected to any pipe, wherein the arbitrary pipe as will be explained below, is processed.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Messkörper ein rohrförmiges Bauteil. Eine solche Ausbildung ist insbesondere mit einem zu bearbeitendem Rohr, das mit dem Messkörper verbunden ist, vorteilhaft. In weiterer Ausgestaltung weist das rohrförmige Bauteil zu der zweiten Endfläche hin einen den Innenraum des rohrförmigen Bauteils verschließenden Deckel auf und auf der gegenüberliegenden ersten Endfläche zu dem Deckel weist das Bauteil eine Referenzpositionsmarke auf. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung das Bauteil im Bereich des Deckels mit einem Messfühler eines Längenmesssystems verbunden.In a further development of the invention, the measuring body is a tubular component. Such a design is particularly advantageous with a pipe to be machined, which is connected to the measuring body. In a further embodiment, the tubular component towards the second end face towards a lid closing the interior of the tubular member and on the opposite first end face to the lid, the component has a reference position mark. In this case, in another embodiment, the component in the region of the lid is connected to a measuring sensor of a length measuring system.

In Weiterbildung der Erfindung ist das rohrförmige Bauteil im Bereich der Referenzpositionsmarke in einen ortsfest angeordneten Halter eingesetzt und ein ebenfalls ortsfest angeordnete Messkopf mit dem Messfühler der Längenmesssystems weist zu der Referenzpositionsmarke einen definierten Abstand auf. Wird nun das Innere des Bauteils durch ein Fluid druckbeaufschlagt, erfährt das rohrförmige Bauteil eine Längenänderung, die durch den Messfühler des Längenmesssystems ermittelt werden kann. Diese Längenänderung des Bauteils gibt dann durch entsprechende Referenzmessungen gewonnene Zuordnungen Aufschluss über den in dem Bauteil herrschenden Fluiddruck.In a further development of the invention, the tubular component is used in the region of the reference position mark in a stationarily arranged holder and a likewise stationary arranged measuring head with the probe of the length measuring system has to the reference position mark a defined distance. Now, if the interior of the component is pressurized by a fluid, the tubular member undergoes a change in length, which can be determined by the sensor of the length measuring system. This change in length of the component then gives information obtained by means of corresponding reference measurements information about the fluid pressure prevailing in the component.

Die erfindungsgemäße Hochdruckmesseinrichtung hat gegenüber einer Messeinrichtung mit einem eine Membran aufweisenden Drucksensor den Vorteil, dass diese bei einer ähnlichen Genauigkeit bei der Druckmessung eine wesentlich höhere Haltbarkeit aufweist. Insbesondere bei hohen zu messenden Drücken in dem Bauteil ist der Drucksensor sehr teuer. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, einen Druck von über 10.000 bar zu messen. Bei einem solch hohen zu messenden Druck ist der Drucksensor nach spätestens 12.000 Messungen auszutauschen, da die in dem Drucksensor befindliche Membran dann soweit verformt bzw. geschwächt ist, dass keine zuverlässige Messung mehr möglich ist. Aufgrund des sehr hohen Preises im Bereich von mehreren tausend Euro ergibt sich somit ein Preis für eine einzelne Messung im Bereich bis zu einem Euro allein in Hinblick auf den Drucksensor. Dagegen braucht das erfindungsgemäße rohrförmige Bauteil nur in den Intervallen ausgetauscht werden, wie auch die Leitungen und sonstigen druckbeaufschlagten Komponenten der gesamten Bearbeitungsanlage. Dieser Austausch ist auch bei einer herkömmlichen Bearbeitungsanlage notwendig. Dabei bezieht sich die Notwendigkeit des Austauschs nur auf das rohrförmige Bauteil, während insbesondere das vollständige Längenmesssystem, das als elektronische Messeinrichtung ausgebildet nur kleine Längenänderungen erfassen muss, quasi beliebig lange einsetzbar ist. Durch diese Ausgestaltung ist ein deutlicher Kostenvorteil gegenüber einer herkömmlichen Anlage gegeben.The high-pressure measuring device according to the invention has the advantage over a measuring device with a diaphragm having a pressure sensor that it has a much higher durability at a similar accuracy in the pressure measurement. Especially at high pressures to be measured in the component, the pressure sensor is very expensive. Depending on the application, it may be necessary to measure a pressure of over 10,000 bar. With such a high pressure to be measured, the pressure sensor must be exchanged after 12,000 measurements at the latest, since the membrane in the pressure sensor is then deformed or weakened so that reliable measurement is no longer possible. Due to the very high price in the range of several thousand euros, this results in a price for a single measurement in the range up to one euro only with regard to the pressure sensor. In contrast, the tubular component of the invention needs to be replaced only in the intervals, as well as the lines and other pressurized components throughout Processing plant. This replacement is also necessary in a conventional processing plant. In this case, the need for replacement relates only to the tubular component, while in particular the complete length measuring system, which must be detected as electronic measuring device detect only small changes in length, can be used almost arbitrarily long. By this configuration, a significant cost advantage over a conventional system is given.

In Weiterbildung der Erfindung weist das rohrförmige Bauteil eine Länge von 400 mm bis 1.200 mm, bevorzugt von ca. 800 mm auf. Dabei weist das rohrförmige Bauteil wiederum in weiterer Ausgestaltung beispielsweise einen Innendurchmesser von 1 bis 3 mm, bevorzugt von 1,58 mm und beispielsweise einen Außendurchmesser von 5 bis 15 mm, bevorzugt von 7,94 mm auf. Die bevorzugten Werte entsprechen insbesondere denen der Leitungen und gegebenenfalls des zu bearbeitenden Rohres. Somit kann das rohrförmige Bauteil aus dem gleichen Material wie die Leitungen und gegebenenfalls wie das zu bearbeitende Rohr kostengünstig bereitgestellt werden. Die angegebenen Maßangaben können aber im Rahmen der Erfindung durch andere kleinere oder größere Werte ersetzt werden. Auch kann das rohrförmige Bauteil aus einem anderen Material als die Leitungen und das zu bearbeitende Rohr hergestellt sein. Mit dem so ausgeführten rohrförmigen Bauteil lässt sich als kleinste messbare Einheit eine Druckänderung von 15 bar ermitteln beziehungsweise auflösen. Bei einer Rohrlänge von 800 mm beträgt die maximale Längenänderung über einen Messbereich von 0 bar bis 10.000 bar beispielsweise 70 μm, wobei die Längenänderung von 70 μm bei einem Druck von 10.000 bar gemessen wird, während die Längenänderung bei 0 bar entsprechend 0 μm beträgt. Hierbei ist die Befestigung des Längenmesssystems gegenüber der in dem Halter eingespannten Referenzpositionsmarke besonders wichtig. Wird eine Haltevorrichtung für die Befestigung des Längenmesssystems einstückig mit dem Halter für die Referenzpositionsmarke des rohrförmigen Bauteils ausgebildet und somit ein besonders massives und steifes Haltesystem geschaffen, ist auch eine größere Längenänderung darstellbar.In a further development of the invention, the tubular component has a length of 400 mm to 1,200 mm, preferably of about 800 mm. In this case, the tubular member in turn in another embodiment, for example, an inner diameter of 1 to 3 mm, preferably of 1.58 mm and for example an outer diameter of 5 to 15 mm, preferably of 7.94 mm. The preferred values correspond in particular to those of the lines and optionally of the pipe to be processed. Thus, the tubular member of the same material as the lines and optionally as the pipe to be machined can be provided inexpensively. However, the dimensions given can be replaced by other smaller or larger values within the scope of the invention. Also, the tubular member may be made of a different material than the pipes and the pipe to be processed. With the tubular component designed in this way, a pressure change of 15 bar can be determined or dissolved as the smallest measurable unit. With a pipe length of 800 mm, the maximum change in length over a measuring range of 0 bar to 10,000 bar, for example, 70 microns, wherein the change in length of 70 microns at a pressure of 10,000 bar is measured, while the change in length at 0 bar corresponding to 0 microns. Here, the attachment of the length measuring system relative to the clamped in the holder reference position mark is particularly important. If a holding device for fastening the length measuring system is formed integrally with the holder for the reference position mark of the tubular component and thus creates a particularly solid and rigid holding system, a greater change in length can also be represented.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die gemessene Längenänderung proportional zu der Länge des Bauteils. Ausgehend von einer Länge von 800 mm und einer Längenänderung von 70 μm ist bei einer Bauteillänge von 400 mm mit einer Längenänderung von 35 μm zu rechnen, während ausgehend bei einer Länge von 1.600 mm mit einer Längenänderung von 140 μm zu rechnen ist. Diese Proportionalität ist bei allen rohrförmigen Bauteilen gegeben, wobei die entsprechenden Werte einer Längenänderung aber insbesondere vom Material und der Wandstärke des entsprechenden Bauteils abhängig sind.In a further embodiment of the invention, the measured change in length is proportional to the length of the component. Based on a length of 800 mm and a change in length of 70 μm, a length change of 35 μm is to be expected for a component length of 400 mm, while starting with a length of 1,600 mm, a change in length of 140 μm is to be expected. This proportionality is given in all tubular components, but the corresponding values of a change in length are particularly dependent on the material and the wall thickness of the corresponding component.

Basis des Messsystems ist, dass der in dem rohrförmigen Bauteil herrschende Druck P_A mit P_A = F/A_D eine Kraft F auf den Deckel beziehungsweise dessen Deckelfläche A_D des zu dieser Endfläche hin verschlossenen rohrförmigen Bauteils ausübt. Wird diese Kraft auf die Rohrquerschnittsfläche bezogen, bekommt man mit σ = F/A_R die im Rohr wirkende Normalspannung σ. Diese wiederum steht im elastischen Bereich des eingesetzten Rohrmaterials mit der daraus resultierenden Längenänderung ΔL/L mit σ ~ ΔL/L in Zusammenhang. So kann man mit Hilfe des Elastizitätsmoduls E des verwendeten Rohrmaterials über σ = E × ΔL/L einen direkten korrelativen Zusammenhang zwischen dem Druck und der Längenänderung des rohrförmigen Bauteils herstellen. Mit einem externen standardmäßigen Längenmesssystem mit genügend hoher Auflösung lässt sich nun diese Längenänderung erfassen und zur Druckmessung verwenden. Dabei ist es so, dass die Längenänderungen des rohrförmigen Bauteils im elastischen Bereich des Materials stattfinden, so dass diese nach dem Hookschen Gesetz linear und für eine Messgerätefähigkeit wiederholbar sind. Insgesamt stellt der so ausgebildete „Steigrohr-Drucksensor” (das rohrförmige Bauteil ist in Art eines Steigrohrs angeordnet) eine kostengünstige, einfache und robuste Alternative zu einem membranbasierten Drucksensor dar.The basis of the measuring system is that prevailing in the tubular component pressure P _A with P _A = F / A _D a force F exerts on the lid or its lid surface A _{D of} the tubular component closed towards this end face. If this force is related to the pipe cross-sectional area, you get along with σ = F / A _R the normal stress σ acting in the pipe. This in turn is in the elastic range of the pipe material used with the resulting change in length ΔL / L with σ ~ ΔL / L in context. So you can with the help of the modulus of elasticity E of the pipe material used σ = E × ΔL / L establish a direct correlative relationship between the pressure and the change in length of the tubular component. With an external standard length measuring system with sufficiently high resolution, this change in length can now be recorded and used for pressure measurement. It is so that the changes in length of the tubular member take place in the elastic region of the material, so that they are linear according to the Hooke's law and repeatable for a measuring device capability. Overall, the so-formed "riser pressure sensor" (the tubular member is arranged in the manner of a riser) is a cost-effective, simple and robust alternative to a membrane-based pressure sensor.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Bauteil Bestandteil einer Autofrettage-Anlage und aus dem gleichen Material gefertigt, wie die Leitungen des Autofrettage Systems. Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von insbesondere beliebigen Rohren für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr bereits nach seiner Herstellung einem über den späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Rohrbereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Rohrbereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Rohre können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck und/oder über eine längere Zeit betrieben werden, als dies ohne Autofrettage-Behandlung möglich wäre. Ein Beispiel für ein solches zu bearbeitende Rohr ist der Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Systems für eine Brennkraftmaschine. In einem solchen Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Systems wird Kraftstoff mit einem Druck ab 1600 bar gespeichert und von mit dem Hochdruckspeicher über Hochdruckleitungen verbundenen Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer Brennkraftmaschine entnommen.In a further development of the invention, the component is part of an autofrettage system and made of the same material as the lines of the autofrettage system. Autofrettage is a process for increasing the strength of, in particular, any desired tube for use with high and pulsating internal pressures. In this case, the tube is exposed already after its production over the later operating pressure and the yield strength lying inside pressure, so that plasticize the pipe sections on the inner wall. After decompression, compressive residual stresses develop in this tube area, which prevent crack formation in later use and thus increase the fatigue strength up to fatigue strength. The tubes can be operated with this treatment either at a higher operating pressure and / or for a longer time than would be possible without autofrettage treatment. An example of such a too processing pipe is the high-pressure accumulator of a common rail system for an internal combustion engine. In such a high-pressure accumulator of a common-rail system, fuel is stored at a pressure of 1600 bar and taken from fuel injectors connected to the high-pressure accumulator via high-pressure lines for injection into assigned combustion chambers of an internal combustion engine.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, in which an illustrated in the figures embodiment of the invention is described in detail.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Autofrettage-Anlage mit einer erfindungsgemäß ausgestalten Messeinrichtung und 1 a schematic representation of an autofrettage system with an inventively designed measuring device and

2 eine schematische Darstellung einer Längenänderung eines rohrförmigen Bauteils in Folge einer in dem Bauteil herrschenden Normalspannung. 2 a schematic representation of a change in length of a tubular member as a result of a prevailing in the component normal voltage.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Autofrettage-Anlage, mit der eine Festigkeitssteigerung eines beliebigen Rohrs, im Ausführungsbeispiel beispielsweise eines Hochdruckspeichers 1 für ein Common-Rail-Einspritzsystem, erzielt werden kann. Ein Common-Rail-Einspritzsystem ist insbesondere für eine selbstzündende mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine ausgelegt und weist als wichtigste Komponenten einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffniederdruckpumpe, eine Kraftstofffiltereinrichtung, eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Zumesseinheit und den Hochdruckspeicher 1 auf, die über entsprechende Leitungen verschaltet sind. An den Hochdruckspeicher sind über Hochdruckleitungen Kraftstoffinjektoren angeschlossen, die gesteuert Dieselkraftstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Von der Kraftstoffhochdruckpumpe wird der Dieselkraftstoff mit einem Druck von mehr als 1600 bar in den Hochdruckspeicher gefördert. Entsprechend müssen die Leitungen und insbesondere der Hochdruckspeicher druckbeständig ausgelegt sein. 1 shows a schematic representation of an autofrettage system, with an increase in strength of any pipe, in the embodiment example of a high-pressure accumulator 1 for a common rail injection system, can be achieved. A common-rail injection system is designed in particular for a self-igniting diesel engine operated with internal combustion engine and has as the most important components a fuel tank, a low-pressure fuel pump, a fuel filter device, a high-pressure fuel pump with a metering unit and the high-pressure accumulator 1 on, which are interconnected via corresponding lines. To the high pressure accumulator fuel injectors are connected via high pressure lines, which inject controlled inject diesel fuel into the associated combustion chambers of the internal combustion engine. From the high-pressure fuel pump, the diesel fuel is conveyed with a pressure of more than 1600 bar in the high-pressure accumulator. Accordingly, the lines and in particular the high pressure accumulator must be designed pressure resistant.

Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von beliebigen, insbesondere aus metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Gussstahl, Edelstahl, hergestellten Rohren für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr, im Ausführungsbeispiel der Hochdruckspeicher 1, bereits nach seiner Herstellung einem über den späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Bereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Rohre können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck und/oder über eine längere Zeit betrieben werden, als dies ohne eine Autofrettage-Behandlung möglich wäre.Autofrettage is a process for increasing the strength of any, especially of metallic materials, such as steel, cast steel, stainless steel, produced tubes for use at high and pulsating internal pressures. In this case, the tube, in the embodiment of the high-pressure accumulator 1 , Exposed after its production to an overlying the later operating pressure and the yield strength internal pressure, so that the areas plasticize on the inner wall. After relaxing, compressive residual stresses develop in this area, which prevent crack formation in later use and thus increase the fatigue strength up to fatigue strength. The tubes may be operated with this treatment either at a higher operating pressure and / or for a longer time than would be possible without autofrettage treatment.

Die Autofrettage-Anlage weist einen Tank 2 auf, in dem ein Fluid, insbesondere ein Hydraulikfluid, bevorratet wird. Über eine Saugleitung 3 mit eingesetztem Filter 4 wird aus dem Tank 2 Hydraulikfluid von einer Hochdruckpumpe 5 gegebenenfalls unter dem vorgeschalteten Einsatz einer Niederdruckpumpe entnommen und durch eine Hochdruckleitung 6 in den Hochdruckspeicher 1 gefördert.The autofrettage facility has a tank 2 in which a fluid, in particular a hydraulic fluid, is stored. Via a suction line 3 with inserted filter 4 gets out of the tank 2 Hydraulic fluid from a high pressure pump 5 optionally taken under the upstream use of a low pressure pump and through a high pressure line 6 in the high-pressure accumulator 1 promoted.

In die Hochdruckleitung 6 ist über einen Abzweig 13 ein Messkörper in Form eines rohrförmiges Bauteils 7, das wiederum als Steigrohr ausgebildet ist, hydraulisch eingeschaltet und mit einer ersten Endfläche an einer Referenzpositionsmarke 8 fest an einer ortsfesten Bezugsfläche beispielsweise in Form eines Halters befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite zu der Referenzpositionsmarke 8 ist eine zweite Endfläche des rohrförmigen Bauteils 7 mit einem Deckel 9 versehen. Der Deckel 9 kann beispielsweise mit dem rohrförmigen Bauteil 7 verschweißt sein, wobei der Deckel 9 bevorzugt aus dem gleichen metallischen Material wie das rohrförmige Bauteil 7 gefertigt ist. An den Deckel 9 greift ein elektronisches Längenmesssystem 10 mit einem Messfühler 11 an. Der Messfühler 11 ist Bestandteil eines Messkopfs 12, wobei der Messkopf 12 wiederum ortsfest montiert ist. Vorzugsweise ist die Bezugsfläche, die das rohrförmige Bauteil 7 an der Referenzpositionsmarke 8 aufnimmt, so ausgebildet, dass diese Bezugsfläche auch die ortsfeste Befestigung für den Messkopf 12 darstellt. Mit dem elektronischen Längenmesssystem 10 können auch kleine Längenänderungen zuverlässig erfasst und angezeigt beziehungsweise weiterverarbeitet oder weitergeleitet werden. Beispielsweise kann das Längenmesssystem direkt mit einer Einrichtung verbunden sein, die ein eine Längenänderung im Bezug zu einer Nullstellung darstellendes Signal in einen Druckwert umwandelt. Dabei sind alle Komponenten des Längenmesssystems 10 (nahezu) verschließfrei ausgebildet und können somit über einen langen Zeitraum ohne Austausch eingesetzt werden.In the high pressure line 6 is over a branch 13 a measuring body in the form of a tubular component 7 , which in turn is formed as a riser, hydraulically turned on and having a first end surface at a reference position mark 8th firmly attached to a stationary reference surface, for example in the form of a holder. On the opposite side to the reference position mark 8th is a second end surface of the tubular member 7 with a lid 9 Mistake. The lid 9 For example, with the tubular member 7 be welded, with the lid 9 preferably of the same metallic material as the tubular component 7 is made. To the lid 9 engages an electronic length measuring system 10 with a probe 11 at. The sensor 11 is part of a measuring head 12 , where the measuring head 12 in turn is mounted stationary. Preferably, the reference surface is the tubular member 7 at the reference position mark 8th receives, designed so that this reference surface and the stationary attachment for the measuring head 12 represents. With the electronic length measuring system 10 Even small changes in length can reliably be detected and displayed or further processed or forwarded. For example, the length measuring system may be directly connected to a device which converts a signal representing a change in length relative to a zero position into a pressure value. All components of the length measuring system are included 10 (almost) sealed and can thus be used over a long period without replacement.

Wird nun während der Autofrettage von der Hochdruckpumpe 5 über die Hochdruckleitung 6 in den Hochdruckspeicher 1 Hydraulikfluid mit einem Druck im Bereich von bis zu 10.000 bar gefördert, wird das Hydraulikfluid über den Abzweig 13 von der Hochdruckleitung 6 auch in das rohrförmige Bauteil 7 eingebracht, das aufgrund der Druckerhöhung eine Längenänderung erfährt. Aufgrund der ortsfesten Befestigung der Referenzpositionsmarke 8 der ersten Endfläche des rohrförmigen Bauteils 7 kann das rohrförmige Bauteil nur mit der gegenüberliegenden zweiten Endfläche mit dem Deckel 9 eine axiale Längenänderung in der Längsrichtung des Bauteils 7 (in Bezug zu der Referenzpositionsmarke 8) ausführen, die von dem hier angreifenden Messfühler 11 als Abstandsänderung erfasst und an das Längenmesssystem 10 übermittelt wird. Diese Längenänderung ist durch eine Skala 14 symbolisiert.Will now during autofrettage of the high pressure pump 5 over the high pressure line 6 in the high-pressure accumulator 1 Hydraulic fluid delivered with a pressure in the range of up to 10,000 bar, the hydraulic fluid through the branch 13 from the high pressure line 6 also in the tubular component 7 introduced, which undergoes a change in length due to the increase in pressure. Due to the fixed fixing of the reference position mark 8th the first end surface of the tubular member 7 the tubular member can only with the opposite second end surface with the lid 9 an axial change in length in the longitudinal direction of the component 7 (in relation to the reference position mark 8th ), that of the here attacking sensor 11 detected as a change in distance and to the length measuring system 10 is transmitted. This change in length is by a scale 14 symbolizes.

In dem Ausführungsbeispiel weist das rohrförmige Bauteil 7 beispielsweise eine Länge von 400 mm bis 1.200 mm, bevorzugt 800 mm und einen Innendurchmesser von 1 mm bis 3 mm, bevorzugt von 1,58 mm und einen Außendurchmesser von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt von 7,94 mm, auf. Mit den bevorzugten Werten wird in einem Druck-Messbereich von 0 bar bis 10.000 bar eine Längenänderung ΔL von 70 μm von dem Längenmesssystem 10 gemessen. Dabei wird bei einem Druck von 0 bar keine Längenänderung und bei einem Druck von 10.000 bar die maximale Längenänderung von 70 μm gemessen, während bei dazwischen liegenden Drücken entsprechende Zwischenwerte der Längenänderung gemessen werden.In the embodiment, the tubular member 7 For example, a length of 400 mm to 1200 mm, preferably 800 mm and an inner diameter of 1 mm to 3 mm, preferably of 1.58 mm and an outer diameter of 5 mm to 15 mm, preferably of 7.94 mm on. With the preferred values, a change in length ΔL of 70 μm from the length measuring system is achieved in a pressure measuring range of 0 bar to 10,000 bar 10 measured. At a pressure of 0 bar no change in length is measured and at a pressure of 10,000 bar the maximum change in length of 70 μm is measured, while at intermediate pressures corresponding intermediate values of the change in length are measured.

Zwischen der Bauteillänge und der messbaren Längenänderung besteht eine Proportionalität. Ausgehend von einer Länge von 800 mm und einer Längenänderung von 70 μm ist bei einer Bauteillänge von 400 mm mit einer Längenänderung von 35 μm zu rechnen, während ausgehend von einer Länge von 1.600 mm eine Längenänderung von 140 μm erreicht wird. Diese Proportionalität ist bei allen rohrförmigen Bauteilen gegeben, wobei die entsprechenden Werte einer Längenänderung aber insbesondere vom Material und der Wandstärke des entsprechenden Bauteils abhängig sind. Es sind folglich im Rahmen der Erfindung auch weitere konstruktive Ausgestaltungen des rohrförmigen Bauteils 7 mit anderen Maßen, Messbereichen und messbaren Längenänderungen ΔL umsetzbar.There is a proportionality between the component length and the measurable change in length. Based on a length of 800 mm and a change in length of 70 μm, a length change of 35 μm is to be expected for a component length of 400 mm, while starting from a length of 1,600 mm, a change in length of 140 μm is achieved. This proportionality is given in all tubular components, but the corresponding values of a change in length are dependent in particular on the material and the wall thickness of the corresponding component. It is therefore within the scope of the invention, other structural refinements of the tubular member 7 with other dimensions, measuring ranges and measurable length changes ΔL can be implemented.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Längenänderung eines rohrförmigen Bauteils 7 in Folge einer in dem Bauteil herrschenden Normalspannung. 2 shows a schematic representation of a change in length of a tubular member 7 due to a normal stress prevailing in the component.

Basis des Messsystems ist, dass der in dem rohrförmigen Bauteil 7 herrschende Autofrettagedruck P_A mit P_A = F/A_D eine Kraft F auf den Deckel 9 beziehungsweise dessen die zweite Endfläche darstellende Deckelfläche A_D des zu dieser Seite hin verschlossenen rohrförmigen Bauteils 7 ausübt. Wird diese Kraft auf die Rohrquerschnittsfläche bezogen, erhält man mit σ = F/A_R die im Rohr wirkende Normalspannung σ. Diese wiederum steht im elastischen Bereich des eingesetzten Rohrmaterials mit der daraus resultierenden Längenänderung ΔL/L mit σ ~ ΔL/L in Zusammenhang. So kann man mit Hilfe des Elastizitätsmoduls E des verwendeten Rohrmaterials über σ = E × ΔL/L einen direkten korrelativen Zusammenhang zwischen dem Autofrettagedruck und der Längenänderung des rohrförmigen Bauteils 7 herstellen. Mit einem externen standardmäßigen Längenmesssystem 10 mit genügend hoher Auflösung lässt sich nun diese Längenänderung erfassen und zur Druckmessung verwenden. Dabei ist es so, dass die Längenänderungen des rohrförmigen Bauteils 7 im elastischen Bereich des Materials stattfinden, so dass diese nach dem Hookschen Gesetz linear und für eine Messgerätefähigkeit wiederholbar sind. Insgesamt stellt der so ausgebildete „Steigrohr-Drucksensor” eine kostengünstige, einfache und robuste Alternative zu einem membranbasierten Drucksensor dar.The basis of the measuring system is that in the tubular component 7 prevailing autofrettage pressure P _A with P _A = F / A _D a force F on the lid 9 or its cover surface A _D representing the second end face of the tubular component closed towards this side 7 exercises. If this force is related to the pipe cross-sectional area, you get with σ = F / A _R the normal stress σ acting in the pipe. This in turn is in the elastic range of the pipe material used with the resulting change in length ΔL / L with σ ~ ΔL / L in context. So you can with the help of the modulus of elasticity E of the pipe material used σ = E × ΔL / L a direct correlative relationship between the autofrettage pressure and the change in length of the tubular component 7 produce. With an external standard length measuring system 10 With sufficiently high resolution, this change in length can now be recorded and used for pressure measurement. It is such that the changes in length of the tubular member 7 take place in the elastic region of the material, so that they are linear according to the Hooke's law and repeatable for a measuring device capability. Overall, the so-formed "riser pressure sensor" represents a cost-effective, simple and robust alternative to a membrane-based pressure sensor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10018618 B4 [0002]

Claims

Measuring device for measuring a pressure with a measuring body, characterized in that the measuring body is stationary at a first end surface and at one of the first end surface separated and spaced second end surface by a pressurization is stretchable and means are provided for length measurement, the one by the pressurization detect conditional change in distance between the first and the second end surface of the measuring body.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring body is a tubular component ( 7 ).

Measuring device according to claim 2, characterized in that the tubular component ( 7 ) on the second end face a the interior of the component ( 7 ) closing lid ( 9 ) and that the component ( 7 ) on the opposite first end surface to the lid ( 9 ) a reference position mark ( 8th ) having.

Measuring device according to claim 3, characterized in that the component ( 7 ) in the area of the lid ( 9 ) with a sensor ( 11 ) of a length measuring system ( 10 ) connected is.

Measuring device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the component ( 7 ) in the area of the reference position mark ( 8th ) is clamped in a holder and that the sensor ( 11 ) to the reference position mark ( 8th ) has a defined basic distance.

Measuring device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the component ( 7 ) has a length of 400 mm to 1,200 mm, preferably 800 mm.

Measuring device according to one of Claims 2 to 6, characterized in that the change in distance between the first end surface and the second end surface caused by the pressurization is proportional to the length of the component ( 7 ).

Autofrettage system with a measuring device according to one of the preceding claims.

Method for measuring a pressure with a measuring body, characterized in that means are provided for measuring the length, which detect a conditional by a pressurization of the measuring body distance change between a first end surface and a second end surface of the measuring body.

A method according to claim 9, characterized in that the a tubular component ( 7 ) is stationary at the first end face and is stretchably formed at the second end face separated and spaced from the first end face by pressurization, and that a length measuring system ( 10 ) is designed and arranged to change the length of the component ( 7 ) between the first end surface and the second end surface.

Method according to claim 10, characterized in that the component ( 7 ) in the region of the first end face a reference position mark ( 8th ) is clamped in a holder and that the length measuring system ( 10 ) to the reference position mark ( 8th ) is aligned with a defined base distance.

Method according to one of claims 10 or 11, characterized in that a conditional by the pressurization change in distance between the two end faces of the component ( 7 ) proportional to the length of the component ( 7 ).