DE102011081544A1

DE102011081544A1 - Method for measuring pressure of fuel in automotive industry, involves determining pressure in measuring reservoir depending on pressure-dependent sound velocity and continuously measured temperature

Info

Publication number: DE102011081544A1
Application number: DE201110081544
Authority: DE
Inventors: Marcus Rinke; Eyliene Schunack; Florian Lettau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-01-17

Abstract

The method involves measuring run time by ultrasonic signals in a liquid-filled measuring reservoir (4) in order to determine sound velocity in the reservoir. Temperature in the reservoir is continuously measured by a temperature sensor (8). Pressure in the reservoir is determined depending on the pressure-dependent sound velocity and the continuously measured temperature. A temperature change is detected from the continuously measured temperature. A pressure change in a measuring interval is determined from the sound velocity based on the detected temperature change. An independent claim is also included for a measuring device such as measurement chamber.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Messverfahren zur Druckbestimmung von Flüssigkeiten nach der Gattung des Patentanspruchs 1 sowie einer Messvorrichtung nach der Gattung des Patentanspruchs 7.The invention relates to a measuring method for pressure determination of liquids according to the preamble of patent claim 1 and a measuring device according to the preamble of patent claim 7.

Zur Bestimmung des Drucks eines flüssigen Mediums bzw. einer Flüssigkeit wie flüssiger Kraftstoff werden üblicherweise Sensoren eingesetzt, denen unterschiedliche physikalische Messtechniken zugrunde liegen. Bei vielen dieser Messtechniken wird der Druck ermittelt, indem die mechanische Verformung einer Membran, eines Biegebalkens oder eines Federelements detektiert wird, wie dies z. B. bei Rohrfeder-, Platten- und Kapselmanometern erfolgt.To determine the pressure of a liquid medium or a liquid such as liquid fuel sensors are usually used, which are based on different physical measurement techniques. In many of these measurement techniques, the pressure is determined by the mechanical deformation of a membrane, a bending beam or a spring element is detected, as z. B. in Bourdon tube, plate and capsule gauges.

Bei beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik gebräuchlichen Fertigungsverfahren Autofrettage bis etwa 15 kbar werden zur Druckmessung häufig Rohrfedern, d. h. rohrförmige Messkörper, eingesetzt, bei denen der Druck anhand der Verformung eines in dem Messkörper angebrachten Dehnungsmessstreifens ermittelt wird. Die Standzeit eines derartigen Sensors ist jedoch bei hohem Druck relativ niedrig, da aufgrund der mechanischen Belastung des Messkörpers eine Materialermüdung auftritt, die insbesondere im Langzeitbetrieb zu einem Messdrift bzw. Offseteffekt des Sensors führen kann, so dass ein Nachkalibrieren des Sensors in einem solchen Fall nicht mehr möglich ist.For example, in automotive manufacturing techniques commonly used in motor vehicle technology, autofrettage up to about 15 kbar are commonly used for pressure measurement, tube springs, d. H. tubular measuring bodies, used in which the pressure is determined based on the deformation of a mounted in the measuring body strain gauge. However, the service life of such a sensor is relatively low at high pressure, since due to the mechanical load of the measuring body, a material fatigue occurs, which can lead to a measuring drift or offset effect of the sensor, especially in long-term operation, so that a recalibration of the sensor in such a case not more is possible.

Aus der DE 10 2010 042 279 A1 ist ein ultraschallbasiertes Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Längenbestimmung und zur indirekten Druckmessung bekannt. Dabei wird als Sensor ein Messkörper eingesetzt, welcher mit einer Endfläche in eine Öffnung eines Druckbehälters hineinragt und an dessen entgegengesetzter Stirnfläche ein Ultraschallsender und Ultraschallempfänger angeordnet ist. Die Endfläche dient als Messende und verformt sich unter dem im Druckbehälter herrschenden Druck. Anhand einer Laufzeitmessung im Messkörper von Ultraschallsignalen, die von dem Sender an der Stirnfläche ausgesendet, an dem Messende reflektiert und dann vom Empfänger detektiert werden, wird der Druck als Funktion der Verformung des Messendes und der Temperatur ermittelt, wobei eine Referenz-Laufzeitmessung an einer innerhalb des Messkörpers vorgesehenen nichtmessdruckbeaufschlagten Referenzfläche durchgeführt wird, um die Temperaturabhängigkeit der Messsignale zu kompensieren. Als zugrundeliegendes physikalisches Detektionsprinzip nutzt dieser Stand der Technik die rein mechanische Verformung des Messendes des Messkörpers aus.From the DE 10 2010 042 279 A1 For example, an ultrasound-based measuring method and a measuring device for length determination and indirect pressure measurement are known. In this case, a measuring body is used as sensor, which protrudes with an end face in an opening of a pressure vessel and on the opposite end face of an ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver is arranged. The end face serves as a measuring end and deforms under the pressure prevailing in the pressure vessel. Based on a transit time measurement in the measurement body of ultrasound signals emitted by the transmitter at the end face, reflected at the end of the measurement and then detected by the receiver, the pressure is determined as a function of the deformation of the end of the measurement and the temperature, wherein a reference transit time measurement at an inside the measuring body provided nichtmessdruckbeaufschlagten reference surface is performed to compensate for the temperature dependence of the measuring signals. As the underlying physical detection principle, this prior art utilizes the purely mechanical deformation of the measuring end of the measuring body.

Aus der DE 10 2005 056 153 A1 bzw. EP 1 954 938 B1 ist ein Verfahren zur Messung der Einspritzmenge und Einspritzrate eines Einspritzventils für Flüssigkeiten bekannt. Dabei spritzt das Einspritzventil eine bestimmte Menge eines flüssigen Mediums wie Kraftstoff in ein Messvolumen eines Druckbehälters ein, wobei ein Drucksensor den Druck innerhalb des Druckbehälters misst. Anhand des gemessenen Drucks und einer mittels Ultraschall-Laufzeitmessung innerhalb des Druckbehälters ermittelten druckabhängigen Schallgeschwindigkeit in dem flüssigen Medium wird die Einspritzmenge und die Einspritzrate bestimmt.From the DE 10 2005 056 153 A1 respectively. EP 1 954 938 B1 A method for measuring the injection quantity and injection rate of a liquid injection valve is known. In this case, the injection valve injects a certain amount of a liquid medium such as fuel into a measuring volume of a pressure vessel, wherein a pressure sensor measures the pressure within the pressure vessel. On the basis of the measured pressure and a determined by means of ultrasonic transit time measurement within the pressure vessel pressure-dependent sound velocity in the liquid medium, the injection quantity and the injection rate is determined.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das Messverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass erfindungsgemäß der Druck aufgrund der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur als physikalische Messgrößen bestimmt wird. Ein nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren arbeitender Sensor ist somit unabhängig von hydraulischer bzw. mechanischer Belastung funktionsfähig, da weder eine Membran noch eine Sensordehnung erforderlich ist, um den Druck als Messgröße zu bestimmen, und weist demgemäss eine signifikant höhere Lebensdauer auf, da das physikalische Funktionsprinzip nicht auf einer lebensdauerbegrenzenden mechanischen Verformung beruht. Das erfindungsgemäße Messverfahren eignet sich somit zur kontinuierlichen Drucküberwachung insbesondere im Hochdruckbereich bis 10 kbar und ggf. auch darüber hinaus.The measuring method with the characterizing features of claim 1 has the advantage that, according to the invention, the pressure is determined on the basis of the speed of sound and the temperature as physical measured variables. A sensor operating according to the measuring method according to the invention is thus functional independently of hydraulic or mechanical loading, since neither a membrane nor a sensor strain is required to determine the pressure as a measured variable, and accordingly has a significantly longer service life, since the physical operating principle is not based on a lifetime-limiting mechanical deformation. The measuring method according to the invention is therefore suitable for continuous pressure monitoring, in particular in the high-pressure range up to 10 kbar and optionally also beyond.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Durch kontinuierlich ununterbrochen aufeinanderfolgende Messzyklen, in denen Laufzeitmessungen zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit und Temperaturmessungen durchgeführt werden, um auf dieser Basis in jedem der Messzyklen den Druck zu bestimmen, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren eine kontinuierliche Drucküberwachung im Langzeitdauerbetrieb durchzuführen im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem ein ständiges Nachkalibrieren erforderlich ist, um insbesondere im Höchstdruckbereich bis etwa 10 kbar Nichtlinearitäten oder Langzeitdrifts zu kompensieren, die wegen der mechanischen Dauerbelastung der bei herkömmlichen Messverfahren sensorisch eingesetzten Dehnungsmessstreifen auftreten können. Vorteilhaft ergibt sich für die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens bestimmte Messvorrichtung aufgrund des zugrundeliegenden physikalischen Funktionsprinzips ein relativ einfacher Aufbau. Das erfindungsgemäße Messverfahren ist beispielsweise vorteilhaft auf den sog. Autofrettage-Prozess, bei dem es sich um ein festigkeitssteigerndes Fertigungsverfahren zum Fertigen von Common-Rail-Komponenten handelt, anwendbar, indem die Einhaltung des für die Autofrettage erforderlichen Höchstdrucks mittels des erfindungsgemäßen Messverfahrens und der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Messvorrichtung laufend überprüft wird. Die längere Standzeit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wirkt sich dabei im Gegensatz zu herkömmlich operierenden Sensoren kostensparend aus.Further advantageous developments and refinements of the method according to the invention will become apparent from the measures listed in the dependent claims. By continuously continuous measuring cycles, in which transit time measurements are carried out for determining the speed of sound and temperature measurements in order to determine the pressure in each of the measuring cycles on this basis, the method according to the invention permits continuous pressure monitoring to be carried out in long-term continuous operation in contrast to the prior art a constant recalibration is required to compensate for nonlinearities or long-term drifts, especially in the highest pressure range up to about 10 kbar, which can occur due to the mechanical load on the strain gauges used sensorally in conventional measuring methods. Advantageous results for the for Performing the measuring method according to the invention certain measuring device due to the underlying physical operating principle a relatively simple structure. The measurement method according to the invention is for example advantageous to the so-called. Autofrettage process, which is a strength-increasing manufacturing process for manufacturing common rail components, applicable by compliance with the required for the Autofrettage maximum pressure by means of the measuring method according to the invention and the Implementation of the method according to the invention certain measuring device is checked continuously. The longer service life of the measuring device according to the invention has a cost-saving effect in contrast to conventionally operating sensors.

Zeichnungendrawings

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in stark schematisch gehaltenen Ansichten:An embodiment of the invention is explained in more detail in the following description and in the accompanying drawings. The latter show in strongly schematic views:

1 eine teilweise im Schnitt gehaltene Ansicht einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, wobei an der Wandung einer Messkammer der Messvorrichtung ein Temperatursensor und eine Ultraschallwandlereinrichtung angebracht sind und 1 a partially sectioned view of a measuring device according to the invention, wherein on the wall of a measuring chamber of the measuring device, a temperature sensor and an ultrasonic transducer means are mounted and

2 eine Querschnittansicht der Messvorrichtung von 1 entlang der Schnittlinie I-I, wobei der Temperatursensor und die Ultraschallwandlereinrichtung seitlich an der Wandung der Messkammer angebracht sind, und deren jeweilige Messsignale in einer zur Messvorrichtung gehörenden Kontroll- und Auswerteeinheit verarbeitet werden. 2 a cross-sectional view of the measuring device of 1 along the section line II, wherein the temperature sensor and the ultrasonic transducer device are mounted laterally on the wall of the measuring chamber, and the respective measurement signals are processed in a control and evaluation unit belonging to the measuring device.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

1 zeigt in einer teilweise im Längsschnitt gehaltenen Darstellung die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Messvorrichtung, die als Messkammer ausgebildet ist und zum Messen des Drucks, insbesondere des Höchstdrucks bis etwa 10 kbar und ggf. auch darüber hinaus, einer Flüssigkeit bzw. eines flüssigen Mediums wie flüssiger Kraftstoff dient. Eine Öffnung 2 mit einem nicht dargestellten Ventil zum Anschluss an ein Hochdrucksystem ist an der Stirnseite 3 der Messvorrichtung 1 ausgebildet und dient zum Einleiten des flüssigen Mediums in den ein einseitig geöffnetes Messvolumen bildenden Innenraum 4 der Messvorrichtung 1, der einerseits durch eine stirnseitige Wandung 5 und eine gegenüberliegende Wandung 6 und andererseits durch dazwischen angeordnete Wandungsabschnitte 7 begrenzt ist. In dem Wandungsabschnitt 7, welcher zwischen der Stirnseite 3 und der dazu gegenüberliegenden Endseite 6 mit daran angebrachtem Abschlussdeckel 14 angeordnet ist, sind ein im Ausführungsbeispiel als Thermoelement ausgebildeter Temperatursensor 8 zum Messen der Temperatur des in dem innenseitigen Messvolumen 4 unter Druck stehenden flüssigen Mediums und eine Ultraschallwandlereinrichtung 9 aufgenommen. Die Ultraschallwandlereinrichtung 9 weist sowohl einen Senderbereich zum Senden von Ultraschallsignalen als auch einen Empfängerbereich zum Erfassen von als Echosignale reflektiert eintreffenden Ultraschallsignalen auf und ist in Längserstreckungsrichtung 10 der Messvorrichtung 1 longitudinal beabstandet zum Temperatursensor 8 an demselben Wandungsabschnitt 7 angeordnet. 1 shows in a partially held in longitudinal view representation in their entirety 1 designated measuring device according to the invention, which is designed as a measuring chamber and is used to measure the pressure, in particular the maximum pressure to about 10 kbar and possibly also beyond, a liquid or a liquid medium such as liquid fuel. An opening 2 with a valve, not shown, for connection to a high-pressure system is on the front side 3 the measuring device 1 designed and used to introduce the liquid medium in the one-sided open measuring volume forming interior 4 the measuring device 1 , on the one hand by a frontal wall 5 and an opposite wall 6 and on the other hand by wall sections arranged therebetween 7 is limited. In the wall section 7 which is between the front side 3 and the opposite end side 6 with attached end cap 14 is arranged, formed in the embodiment as a thermocouple temperature sensor 8th for measuring the temperature of in the inside measuring volume 4 pressurized liquid medium and an ultrasonic transducer device 9 added. The ultrasonic transducer device 9 has both a transmitter area for transmitting ultrasound signals and a receiver area for detecting ultrasound signals arriving as reflected echo signals and is in the longitudinal extension direction 10 the measuring device 1 longitudinally spaced from the temperature sensor 8th on the same wall section 7 arranged.

2 veranschaulicht in einer Querschnittansicht die Messvorrichtung 1. Die Messvorrichtung 1 weist dabei einen im Querschnitt gesehenen quadratischen Außenumfang auf, während der Innenraum 4 der Messvorrichtung 1 zwei gegenüberliegende planparallele Flächenabschnitte 11, 12 aufweist, welche durch zwei einander gegenüberliegende Zylindermantelflächensegmente 13 verbunden sind. An dem Wandabschnitt 7, an dessen Innenseite der erste planparallele Flächenabschnitt 11 ausgebildet ist, sind der Temperatursensor 8 und die Ultraschallwandlereinrichtung 9 angebracht, wobei der Temperatursensor 8 in einer Durchführung in dem Wandungsabschnitt 7 so aufgenommen ist, dass dessen temperaturfühlendes Ende in direktem Kontakt mit dem innenraumseitigen Messvolumen 4 ist, während die Ultraschallwandlereinrichtung 9 an der Außenseite des Wandungsabschnitts 7 angebracht ist. Ein von der Ultraschallwandlereinrichtung 9 emittierter Ultraschallimpuls geht somit durch den Wandungsabschnitt 7 hindurch, wird an dem gegenüberliegenden planparallelen Flächenabschnitt 12 reflektiert und wird als Echoimpulssignal von dem Empfängerbereich der Ultraschallwandlereinrichtung 9 detektiert. Dabei dient der Abstand Δs zwischen den beiden planparallelen Flächenabschnitten 11, 12 als Messstrecke, die von einem emittierten Ultraschallimpuls zweimal durchlaufen wird, bevor dieser von dem Empfängerbereich nach der Laufzeit t_Laufzeit detektiert wird. Mittels einer an die Ultraschallwandlereinrichtung 9 angeschlossenen Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17, die mittels elektrischer Signalleitungen 15, 16 jeweils sowohl mit dem Temperatursensor 8 als auch mit der Ultraschallwandlereinrichtung 9 elektrisch verbunden ist, wird anhand der Laufzeit t_Laufzeit und der Messstrecke Δs, die dem zweifachen Abstand zwischen den beiden planparallelen Flächenabschnitten 11, 12 entspricht, die Schallgeschwindigkeit c in der Messvorrichtung 1 laufend ermittelt, während gleichzeitig laufend die jeweils zeitlich zugeordnete Temperatur T in der Flüssigkeit mittels des Temperatursensors 8 gemessen wird. 2 illustrates in a cross-sectional view of the measuring device 1 , The measuring device 1 has a square outer circumference seen in cross-section, while the interior 4 the measuring device 1 two opposite plane-parallel surface sections 11 . 12 which, by two opposing cylinder jacket surface segments 13 are connected. At the wall section 7 , on the inside of which the first plane-parallel surface section 11 is formed, are the temperature sensor 8th and the ultrasonic transducer device 9 attached, wherein the temperature sensor 8th in a passage in the wall section 7 is accommodated so that its temperature-sensing end in direct contact with the inside measuring volume 4 is while the ultrasonic transducer device 9 on the outside of the wall section 7 is appropriate. One from the ultrasonic transducer device 9 emitted ultrasonic pulse thus passes through the wall portion 7 through, is at the opposite plane-parallel surface portion 12 is reflected and transmitted as an echo pulse signal from the receiver area of the ultrasonic transducer device 9 detected. The distance Δs between the two plane-parallel surface sections is used 11 . 12 as a measuring path, which is traversed twice by an emitted ultrasonic pulse before it is detected by the receiver area after the transit time t _runtime . By means of a to the ultrasonic transducer device 9 connected control and evaluation device 17 , by means of electrical signal lines 15 . 16 each with both the temperature sensor 8th as well as with the ultrasonic transducer device 9 is electrically connected, is based on the transit time t _{running time} and the measuring distance Δs, which is twice the distance between the two plane-parallel surface sections 11 . 12 corresponds to the speed of sound c in the measuring device 1 continuously determined while simultaneously running the respective temporally associated temperature T in the liquid by means of the temperature sensor 8th is measured.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei zugrunde, dass mittels der zur Durchführung des Verfahrens dienenden Messvorrichtung 1 aus den jeweils gleichzeitig ermittelten Messwerten für die Temperatur T der Flüssigkeit in der Messvorrichtung 1 und der zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit c durchgeführten Laufzeitmessung der Druck in der Flüssigkeit in der Messkammer der Messvorrichtung 1 in funktionaler Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur T und der ermittelten Schallgeschwindigkeit c berechnet wird.The method according to the invention is based on the fact that means of measuring device for carrying out the method 1 from the respectively simultaneously determined measured values for the temperature T of the liquid in the measuring device 1 and the transit time measurement performed to determine the speed of sound c, the pressure in the liquid in the measuring chamber of the measuring device 1 is calculated in functional dependence on the measured temperature T and the determined sound velocity c.

In erster Näherung können Flüssigkeiten zwar im wesentlichen als inkompressibel angesehen werden, jedoch ist eine derartige Näherung im Hochdruckbereich nichtzulässig. Wird nämlich eine Flüssigkeit mit Druck im kbar – Bereich beaufschlagt, so erfolgt eine signifikante Kompression, wobei sich die Dichte ρ der Flüssigkeit erhöht. Eine Änderung der Dichte ρ bewirkt jedoch gleichzeitig eine Änderung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit c in der Flüssigkeit, da gemäß nachstehender Gleichung gilt:

As a first approximation, while liquids may be considered substantially incompressible, such an approximation in the high pressure range is not permitted. If, in fact, a liquid is subjected to pressure in the kbar range, significant compression takes place, whereby the density ρ of the liquid increases. However, a change in the density ρ at the same time causes a change in the sound propagation velocity c in the liquid, since according to the following equation:

Dabei ist K das Kompressionsmodul und ρ die Dichte der Flüssigkeit.Where K is the modulus of compression and ρ is the density of the fluid.

Nach bekannten hydrostatischen Gesetzmäßigkeiten, welche der Fachliteratur, z. B. Hering, Martin, Stohrer, „Physik für Ingenieure”, Seite 127, Springer Verlag 10. Auflage, Heidelberg 2007 , entnehmbar ist, ist die Dichte ρ einer Flüssigkeit abhängig von der Temperaturänderung ΔT und dem Volumenausdehnungskoeffizienten γ gemäß nachstehender Gleichung:

After known hydrostatic laws, which the literature, z. B. Hering, Martin, Stohrer, "Physics for Engineers", page 127, Springer Verlag 10th Edition, Heidelberg 2007 , is removable, the density ρ of a liquid is dependent on the temperature change ΔT and the volume expansion coefficient γ according to the following equation:

Dabei ist ρ₀ die Ausgangsdichte der Flüssigkeit.Here, ρ _{0 is} the initial density of the liquid.

Die Dichte ρ hängt ferner von einer Druckänderung Δp und der Kompressibilität χ der Flüssigkeit ab gemäß der nachstehenden Gleichung:

wobei die Kompressibilität χ gemäß χ = 1/K in reziproker Beziehung zum Kompressionsmodul K steht.The density ρ further depends on a pressure change Δp and the compressibility χ of the liquid according to the following equation:

wherein the compressibility χ according to χ = 1 / K is in reciprocal relationship to the compression modulus K.

Durch Zusammenführen der Gleichungen (2.1) und (2.2), wie dies der Fachliteratur, z. B. T. Krist, „Hydraulik und Fluidtechnik”, Seiten 70–71, Vogel Fachbuchverlag, 8. Auflage, Würzburg 1997 , entnehmbar ist, lässt sich die Dichte ρ als Funktion sowohl der Dichteänderung Δρ als auch der Temperaturänderung ΔT darstellen gemäß nachstehender Gleichung:

By combining the equations (2.1) and (2.2), as the specialist literature, z. B. T. Krist, "Hydraulics and Fluid Technology", pages 70-71, Vogel book publisher, 8th edition, Würzburg 1997 , can be taken, the density ρ as a function of both the density change Δρ and the temperature change ΔT according to the following equation:

Durch Zusammenführen der Gleichungen (1) und (2.3) ist schließlich ein funktionaler Zusammenhang der Druckänderung Δp, der Schallgeschwindigkeit c und der Temperaturänderung ΔT darstellbar gemäß nachstehender Gleichung:

By combining the equations (1) and (2.3), finally, a functional relationship of the pressure change Δp, the sound velocity c and the temperature change ΔT can be represented according to the following equation:

Aufgrund des in Gleichung (3) dargestellten Zusammenhangs ergibt sich somit, dass die Druckänderung Δp von der Temperaturänderung ΔT, d. h. der Differenz zwischen zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführten Temperaturmessungen T2–T1, der Schallgeschwindigkeit c in der Flüssigkeit, dem Kompressionsmodul K, dem thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten γ und der Ausgangsdichte ρ₀ der Flüssigkeit abhängt. Because of the relationship shown in equation (3), it follows that the pressure change Δp of the temperature change .DELTA.T, ie the difference between temporally successively performed temperature measurements T2-T1, the speed of sound c in the liquid, the compression modulus K, the thermal expansion coefficient γ and the initial density ρ _{0 of} the liquid depends.

Erfindungsgemäß wird zu einem ersten Zeitpunkt t₀ die Temperatur T₀ in der Messkammer 1 mittels des Temperatursensors 8 gemessen und in der Kontroll- und Auswerteeinheit 17 erfasst und gespeichert, wobei zeitgleich mittels der Laufzeitmessungen der Ultraschallwandlereinrichtung 9 die Schallgeschwindigkeit c gemäß c = 2·Δs/t_Laufzeit berechnet und der ermittelte Wert gespeichert wird; danach wird zu einem zeitlich darauf folgenden Zeitpunkt t₁ die Temperatur T₁ im Innenraum der Messvorrichtung 1 gemessen und in der Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 erfasst und gespeichert, wobei wiederum die entsprechende Schallgeschwindigkeit mittels Laufzeitmessung gemäß c' = 2·Δs/t'_Laufzeit berechnet und der dazu ermittelte Wert gespeichert wird. Aus den erfassten Werten für die Temperaturen T₀ und T₁ wird die Temperaturänderung ΔT berechnet und der Mittelwert der Schallgeschwindigkeit c mit aus den jeweils in dem Messzeitintervall [t₀, t₁] gemessenen Laufzeitmessungen mittels der Kontroll- und Auswerteeineinrichtung 17 berechnet. Im nächsten Schritt wird gemäß Gleichung (3) die zugeordnete Druckänderung Δp berechnet, wobei in der Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 gespeicherte Werte für die Ausgangsdichte ρ₀, den thermischen Volumenausdehnungskoeffizienten γ und das Kompressionsmodul K bei der Berechnung als über einen weiten Temperaturbereich erfasste Kennlinien berücksichtigt werden. Auf der Basis einer im Prinzip einmalig durchgeführten Kalibiermessung, mit der die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 zu Beginn der Messreihe kalibriert wird, wobei ein Anfangsdruck p_A bestimmt wird, indem die Kalibrierung der Messvorrichtung 1 beispielsweise mittels einer Druckwaage durchgeführt wird, wird der aktuelle Druck p aus der Summe aus der anhand Gleichung (3) berechneten Druckänderung Δp und dem durch Kalibrierung bestimmten Anfangsdruck p_A als Referenzwert gemäß p = Δp + p_A berechnet.According to the invention at a first time t _0, the temperature T ₀ in the measuring chamber 1 by means of the temperature sensor 8th measured and in the control and evaluation unit 17 recorded and stored, wherein at the same time by means of the transit time measurements of the ultrasonic transducer means 9 the sound velocity c is calculated according to c = 2 · Δs / t _running time and the determined value is stored; Thereafter, at a temporally following time t _1, the temperature T ₁ in the interior of the measuring device 1 measured and in the control and evaluation facility 17 recorded and stored, in turn, the corresponding sound velocity by means of transit time measurement according to c '= 2 · Δs / t' _{run time} calculated and the value determined to be stored. The temperature change ΔT is calculated from the recorded values for the temperatures T ₀ and T ₁ , and the mean value of the sound velocity c is calculated from the transit time measurements measured in the measuring time interval [t ₀ , t ₁ ] by means of the control and evaluation means 17 calculated. In the next step, according to equation (3), the associated pressure change Δp is calculated, wherein in the control and evaluation device 17 stored values for the initial density ρ ₀ , the thermal expansion coefficient γ and the compression modulus K are taken into account in the calculation as characteristic curves acquired over a wide temperature range. On the basis of a calibration measurement, which is carried out in principle once, with which the measuring device according to the invention 1 is calibrated at the beginning of the series of measurements, wherein an initial pressure p _{A is} determined by the calibration of the measuring device 1 For example, by means of a pressure compensator, the actual pressure p is calculated from the sum of the pressure change Δp calculated using equation (3) and the initial pressure p _A determined by calibration as the reference value according to p = Δp + p _A.

In sich jeweils unmittelbar daran anschließenden späteren Messzyklen wird dieses Procedere beibehalten mit der Maßgabe, dass im jeweils laufenden Messzeitintervall, in dem der jeweils aktuell herrschende Druck p aus der Summe aus der in dem aktuellen Messzeitintervall [t_i, t_i+1] erfassten Druckänderung Δp und einem Referenzwert p_A berechnet wird, als Referenzwert der im vorherigen Messzeitintervall ermittelte und in der Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 abgespeicherte Druckendwert p = p_E eingesetzt wird.In each immediately subsequent subsequent measuring cycles this procedure is maintained with the proviso that in each current measuring time interval in which the currently prevailing pressure p from the sum of the detected in the current measuring time interval [t _i , t _{i + 1} ] pressure change p and p a reference value _a is calculated, the calculated as the reference value in the preceding measurement time interval and in the control and evaluation device 17 stored pressure value p = p _{E is} used.

Zusammenfassend gestaltet sich damit das erfindungsgemäße Verfahren folgendermaßen:
In einem ersten initialisierenden Schritt, bei dem zum einmaligen Kalibrieren der Messvorrichtung 1, beispielsweise mittels einer Druckwaage, ein Anfangsdruck p_A als Kalibrierwert bzw. Referenzstartwert gemessen wird, wird ein erstes Messzeitintervall bzw. Messzeitfenster [t₀, t₁] mittels der Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 festgelegt, das mit dem Zeitpunkt t₀ startet und mit dem Zeitpunkt t₁ endet. Dabei wird zum Zeitpunkt t₀ die Anfangstemperatur T₀ mittels des Temperatursensors 8 erfasst und gleichzeitig laufend Laufzeitmessungen durchgeführt, um daraus jeweils die Schallgeschwindigkeit gemäß c = 2·Δs/t_Laufzeit zu berechnen und speichern. Bei Erreichen des Endes des ersten Messzeitintervalls d. h. zum Zeitpunkt t₁ wird die Temperatur T₁ mitlels des Temperatursensors 8 erfasst und gespeichert, worauf aus den gespeicherten Werten T₀, T₁ die entsprechende Temperaturdifferenz ΔT im Messzeitintervall berechnet und gespeichert wird, während aus den mittels Laufzeitmessungen berechneten und gespeicherten Schallgeschwindigkeitswerten im Messzeitintervall ein Mittelwert für c gebildet wird. Auf dieser Basis von gespeicherten Werten wird unter Berücksichtigung der ebenfalls gespeicherten Materialparameter K, γ und ρ₀ zunächst gemäß Gleichung (3) die für dieses Messzeitintervall maßgebliche Druckänderung Δp berechnet und daraus der zum Ende dieses Messzeitintervalls herrschende Enddruck p_E gemäß p_E = Δp + p_A berechnet und gespeichert, wobei in diesem ersten Messzeitintervall für p_A der durch Kalibrieren bestimmte Referenzstartwert eingesetzt wird. In einem zweiten Schritt, der sich unmittelbar an diesen ersten initialisierenden Schritt anschließt, wird mittels der Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 ein zweites Messzeitintervall bzw. Messzeitfenster [t₁, t₂] festgelegt, das im Ausführungsbeispiel mit dem Zeitpunkt t₁ beginnt und mit dem Zeitpunkt t₂ endet und somit unmittelbar auf das erste Messzeitintervall folgt. In diesem aktuell laufenden Messzeitintervall wird zum Zeitpunkt t₁ der zugeordnete Temperaturwert T₀ gemessen und gleichzeitig laufend Laufzeitmessungen durchgeführt, um daraus jeweils die Schallgeschwindigkeit gemäß c = 2·Δs/t_Laufzeit zu berechnen und speichern. Bei Erreichen des Endes des ersten Messzeitintervalls d. h. zum Zeitpunkt t₁ wird die Temperatur T₁ mittels des Temperatursensors 8 erfasst und gespeichert, worauf aus den gespeicherten Werten T₀, T₁ die entsprechende Temperaturdifferenz bzw. Temperaturänderung ΔT im aktuellen zweiten Messzeitintervall berechnet und gespeichert wird, während aus den mittels Laufzeitmessungen berechneten und gespeicherten Schallgeschwindigkeitswerten im aktuellen zweiten Messzeitintervall ein Mittelwert für c gebildet wird. Auf dieser Basis von gespeicherten Werten wird unter Berücksichtigung der ebenfalls gespeicherten Materialparameter K, γ und ρ₀ zunächst gemäß Gleichung (3) die für dieses aktuelle Messzeitintervall maßgebliche Druckänderung Δp berechnet und daraus der zum Ende dieses Messzeitintervalls herrschende Enddruck p_E gemäß p_E = Δp + p_A berechnet und gespeichert, wobei jedoch in diesem zweiten Messzeitintervall – im Unterschied zum ersten Messintervall – für p_A als Referenzwert der im vorherigen Messzeitintervall berechnete und abgespeicherte p_E-Druckwert zur Berechnung eingesetzt wird. Bei allen weiteren unmittelbar darauf folgenden Messzeitintervallen wird das im zweiten Schritt erläuterte Procedere sukzessive in einer Endlos-Iteration angewandt, um kontinuierlich die jeweilige Druckänderung Δp und daraus den herrschenden Druck p in der flüssigkeitsgefüllten Messkammer der Messvorrichtung 1 zu bestimmen.In summary, the method according to the invention is thus designed as follows:
In a first initializing step, in which for once calibrating the measuring device 1 , For example, by means of a pressure compensator, an initial pressure p _{A is} measured as a calibration value or reference starting value, a first measuring time interval or measuring time window [t ₀ , t ₁ ] by means of the control and evaluation 17 which starts at time t ₀ and ends at time t ₁ . In this case, at the time t _0, the initial temperature T ₀ by means of the temperature sensor 8th recorded and simultaneously running time measurements performed in order to calculate and store the speed of sound according to c = 2 · Δs / t _{running time} . Upon reaching the end of the first measuring time interval ie at time t ₁ , the temperature T ₁ mitlels the temperature sensor 8th , after which from the stored values T _0, T is the appropriate temperature difference .DELTA.T is calculated in the measurement time interval and stored detected and stored _1, while the calculated by means of propagation time measurements and stored sound velocity values in the measurement time interval a mean value for c is formed. On the basis of stored values, taking into account the likewise stored material parameters K, γ and ρ ₀ , the pressure change Δp which is decisive for this measuring time interval is first calculated according to equation (3) and from this the end of this The final pressure p _E prevailing at the measuring time interval is calculated and stored in accordance with p _E = Δp + p _A , wherein the reference starting value determined by calibration is used for p _A in this first measuring time interval. In a second step, which directly follows this first initializing step, the control and evaluation device is used 17 a second measuring time interval or measuring time window [t ₁ , t ₂ ], which begins in the exemplary embodiment with the time t ₁ and ends at the time t ₂ and thus directly follows the first measuring time interval. In this currently running measuring time interval, the associated temperature value T _{0 is} measured at the time t ₁ and at the same time running time measurements are carried out in order to calculate and store the speed of sound according to c = 2 · Δs / t _{transit time} . Upon reaching the end of the first measuring time interval, ie at time t ₁ , the temperature T ₁ by means of the temperature sensor 8th is detected and stored, whereupon the corresponding temperature difference or temperature change ΔT in the current second measuring time interval is calculated and stored from the stored values T ₀ , T ₁ , while an average value for c is formed from the sound velocity values calculated and stored by transit time measurements in the current second measuring time interval. Taking into account the likewise stored material parameters K, γ and ρ ₀ , the pressure change Δp relevant for this current measuring time interval is calculated on the basis of stored values and from this the final pressure p _E prevailing at the end of this measuring time interval according to p _E = Δp + p _{A is} calculated and stored, but in this second measuring time interval - in contrast to the first measuring interval - for p _{A is used} as the reference value of the calculated and stored in the previous measuring time interval p _E- pressure value for calculation. In all other measuring time intervals immediately following, the procedure explained in the second step is applied successively in an endless iteration to continuously determine the respective pressure change Δp and from this the prevailing pressure p in the measuring chamber of the measuring device filled with liquid 1 to determine.

Im Ausführungsbeispiel sind unmittelbar zeitlich benachbarte Messzeitintervalle an ihren jeweiligen Intervallgrenzen bzw. Messfenstergrenzen überlappend ausgebildet, so dass z. B. ein n-tes Messzeitintervall [t_n, t_n+1] an seiner Untergrenze t_n mit dem vorherigen Messzeitintervall [t_n-1, t_n] und an seiner Obergrenze t_n+1 mit dem nächstfolgenden Messzeitintervall [t_n+1, t_n+2] überlappt. Auf diese Weise wird eine Messreihe generiert, die aus einer ununterbrochenen Folge von zusammenhängend ineinander verzahnten Messfenstern bzw. Messzeitintervallen gebildet wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ferner die Kontroll- und Auswerteeinrichtung 17 als Rechner zum zyklischen Steuern der Ultraschallwandlereinrichtung 17 und zum Erfassen und Auswerten der von dem Thermoelement 8 und der Ultraschallwandlereinrichtung 17 gelieferten Messwertsignale ausgebildet.In the exemplary embodiment immediately adjacent measuring time intervals are formed overlapping at their respective interval limits or window boundaries, so that z. B. an n-th measuring time interval [t _n , t _{n + 1} ] at its lower limit t _n with the previous measuring time interval [t _n-1 , t _n ] and at its upper limit t _{n + 1} with the next measuring time interval [t _{n + 1} , t _{n + 2} ] overlaps. In this way, a measurement series is generated, which is formed from an uninterrupted sequence of contiguously interlinked measurement windows or measurement time intervals. In the preferred embodiment, the control and evaluation device is further 17 as a computer for cyclically controlling the ultrasonic transducer device 17 and for detecting and evaluating the from the thermocouple 8th and the ultrasonic transducer device 17 formed measured value signals.

Das erfindungsgemäße Messverfahren und die zur Durchführung des Messverfahrens dienende Messvorrichtung 1 eignen sich somit zur kontinuierlichen Drucküberwachung bis in den Höchstdruckbereich mit einer Druckstufe von bis zu etwa 10 kbar.The measuring method according to the invention and the measuring device used to carry out the measuring method 1 Thus, they are suitable for continuous pressure monitoring up to the highest pressure range with a pressure level of up to about 10 kbar.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010042279 A1 [0004]
DE 102005056153 A1 [0005]
EP 1954938 B1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Hering, Martin, Stohrer, "Physics for Engineers", page 127, Springer Verlag 10th Edition, Heidelberg 2007 [0016]
T. Krist, "Hydraulics and Fluid Technology", pages 70-71, Vogel Fachbuchverlag, 8th edition, Würzburg 1997 [0019]

Claims

Measuring method for determining the pressure of liquids, wherein the transit time of ultrasonic signals in a liquid-filled measuring volume is measured in order to determine the speed of sound in the measuring volume, characterized in that the temperature in the measuring volume ( 4 ) by means of a temperature sensor ( 8th ) is measured continuously and the pressure in the measuring volume as a function of the measured volume ( 4 ) certain pressure-dependent sound velocity and the continuously measured temperature is determined.

Measuring method according to claim 1, characterized in that a temperature change is determined from the temperature measured continuously in the measuring volume, wherein on the basis of the temperature change determined in each case within at least one measuring interval and from that in the measuring volume ( 4 ), a pressure change in the respective measuring interval is first determined and, on the basis of this pressure change, the pressure is determined in accordance with a pressure reference value.

Measuring method according to claim 2, characterized in that the pressure based on the following relationship

where Δp is the pressure change resulting from the difference between successively determined pressure values, K is the modulus of the liquid, γ is the coefficient of thermal expansion of the fluid, c is the speed of sound, ΔT is the temperature change between successively measured temperature readings, and ρ _{0 is} the initial density of the fluid.

Measuring method according to claim 2 or 3, characterized in that temporally continuously successive measuring time intervals are defined, wherein in each measuring time interval cyclically the respective temperature change .DELTA.T and the speed of sound c is determined by the present in the current measuring time interval pressure change .DELTA.p and from there the pressure p according to p = Δp + p _A by forming the respective sum of the pressure change Δp and a reference value p _A.

Measuring method according to claim 4, characterized in that the measuring time intervals are defined such that mutually immediately adjacent measuring time intervals are formed overlapping at their respective measuring time interval boundaries.

Measuring method according to claim 4 or 5, characterized in that according to a first initializing step in a first measuring time interval, a calibration is performed by using the pressure measured by means of calibration as the reference value, while in subsequent to the first measuring time interval measuring time intervals successively in each respective subsequent measuring time interval the respective reference value used is a final pressure value determined in the respective preceding measuring time interval.

Measuring device, in particular for carrying out the measuring method according to one of claims 1 to 6, with a measuring chamber, an ultrasonic transducer device and a control and evaluation device, characterized in that at least one temperature sensor ( 8th ) for the continuous detection of the temperature and the ultrasonic transducer device ( 9 ) for determining the speed of sound in the wall ( 7 ) of the measuring chamber are received, wherein the control and evaluation device ( 17 ) the ultrasonic transducer device ( 9 ) cyclically controls and both temperature readings of the temperature sensor ( 8th ) as well as measured transit time signals of the ultrasonic transducer device ( 9 ) is cyclically recorded and evaluated.

Measuring device according to claim 7, characterized in that the ultrasonic transducer device ( 9 ) and the temperature sensor ( 9 ) in the longitudinal direction of the measuring device ( 1 ) are arranged spaced from each other.

Measuring device according to claim 7 or 8, characterized in that the measuring device ( 1 ) inside at least two opposite plane-parallel surfaces ( 11 . 12 ) whose surface normal with the orientation of the ultrasonic transducer device ( 9 ) are aligned.

Measuring device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the temperature sensor ( 8th ) is designed as a thermocouple.