DE102012022376A1 - Druck- und Durchflussmessung mittels akustischer Wellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Drucks (p) eines Fluids in einem Behälter, wobei mittels einer akustischen Welle in dem Fluid eine von dem Druck des Fluids beeinflusste Eigenschaft des Fluids oder eines mit dem Druck des Fluid beaufschlagten Elements in dem Behälter ermittelt wird und wobei aus der ermittelten Eigenschaft der Druck bestimmt wird. Dies lässt sich besonders vorteilhaft mit einer Durchflussmessung mittels akustischer Wellen verknüpfen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter.
• Stand der Technik
• Zur Druckmessung von Fluiden in Behältern, wie z. B. Rohrleitungen von Hydraulikanlagen, können kapazitive oder resistive Druckmesswandler eingesetzt werden. Zur resistiven Druckmessung können beispielsweise Membrane verwendet werden, die aus Silizium oder Stahl bestehen und auf denen elektrische Widerstandsmessbrücken aufgebracht sind. Der Druck verbiegt die Membran, so dass sich der Widerstand ändert und als Maß für den Druck ausgewertet werden kann. Diese Art der Druckmessung ist zwar sehr leicht umzusetzen, jedoch nur mit erheblichem Aufwand mit anderen Messungen, bspw. des bei Hydraulikanlagen häufig benötigten Volumenstroms bzw. der Durchflussgeschwindigkeit, kombinierbar.
• Es ist daher wünschenswert, eine Druckmessung in Fluiden zur Verfügung zu haben, die sich insbesondere auf einfache Weise mit einer Durchflussmessung kombinieren lässt.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
• Vorteile der Erfindung
• Es wird eine auf akustischen Wellen basierende Möglichkeit für eine Druckmessung in Fluiden vorgestellt, die sich insbesondere auf einfache Weise mit einer Durchflussmessung kombinieren lässt.
• Die Erfindung schlägt vor, den Druck eines Fluids in einem Behälter unter Einsatz akustischer Wellen, insbesondere Ultraschallwellen, zu messen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Druck Eigenschaften des Fluids und/oder von Elementen, die mit dem Fluiddruck beaufschlagt sind, beeinflusst, die mittels akustischer Wellen ermittelt werden können. So kann durch entsprechende Auswertung der Messung der Druck des Fluids aus der ermittelten Eigenschaft bestimmt werden.
• Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft mit einer an sich bekannten Durchflussmessung mittels akustischer Wellen verknüpfen. Ein Ultraschall-Durchflussmesser ist beispielsweise aus der DE 10 2009 048 646 A1 bekannt, auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird. Im Rahmen der Erfindung werden somit insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kombinierten Druck- und Durchflussmessung mittels akustischer Wellen, insbesondere Ultraschall, vorgestellt. Dies erlaubt, den Druck und den Volumenstrom mit dem gleichem Messprinzip und mit denselben Messelementen zu messen. Die Auswertung des Messsignals in Druck- und Durchflussinformation erfolgt mittels geeigneter Signalverarbeitung in Abhängigkeit von der gewählten Sensorausführung. Die Messung von Druck und Durchfluss erfolgt kostengünstig mit einer einzigen Messeinrichtung. Diese Messeinrichtung kann beispielsweise in Ventilen oder auch in einem dedizierten Gehäuse integriert sein. Dank der Messeinrichtung können alle für die Regelung hydraulischer Kreise erforderlichen Größen elektronisch erfasst werden, so dass die Applikation des Kreises auf einer Zielmaschine nur durch die Anpassung von Software-Parametern erfolgt. Es sind keine Änderungen an der Hardware notwendig.
• Vorzugsweise wird der Fluiddruck aus einer Laufzeitmessung bestimmt. Diese Messung kann besonders einfach auch zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit verwendet werden. Aus der Laufzeit einer Schallwelle in dem Fluid für eine vorbestimmte Strecke wird die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bestimmt, woraus wiederum der Fluiddruck bestimmt wird. Ein Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Druck kann beispielsweise empirisch bestimmt werden.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine Bestimmung von Fremdmedien in dem Fluid statt. Dies erlaubt, die Robustheit dieser Methode gegenüber einer Verschmutzung des Fluids, z. B. mit Metallpartikeln oder vor allem mit Luftblasen, z. B. aufgrund von Kavitation, zu erhöhen.
• Vorzugsweise wird ein Fremdmedienanteil in dem Fluid mittels einer Doppler-Ultraschallmessung bestimmt. Bei der Doppler-Ultraschallmessung wird die Frequenzverschiebung des ausgesendeten Signales aufgrund der Fließgeschwindigkeit von Reflexionspunkten (z. B. Verschmutzung, Luftbläschen) im Fluid erfasst. Es bietet sich an, den Amplitudengang der Übertragungsstrecke durch Frequenzvariation, beispielsweise durch eine FMCW-Modulation (englisch frequency-modulated continuous-wave) der Schallwelle zu bestimmen. Hieraus kann auf die Konzentration der Rückstreuelemente geschlossen werden, wenn die Art der Fremdmedien, die im Öl auftauchen können, bekannt sind. Dies kann z. B. erreicht werden, indem das Spektrum des Empfangssignals mit dem Spektrum des Eingangssignals verglichen wird. Bei einer Dopplerverschiebung aufgrund eines hohen Fremdmedienanteils ist die Dopplerfrequenz im Empfangssignal zu messen, was bei einem rein homogenen Medium nicht zu messen ist. Mit der Amplitude des dopplerverschobenen Frequenzpeaks bezogen auf die Amplitude des Sendepeaks kann auf einen Reflexionsfaktor der Strecke zurückgeschlossen werden, der als Indikator für den Fremdmedienanteil dient.
• Ein Vergleich der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit über eine Laufzeitmessung mit der Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit über eine Doppler-Verschiebung, insbesondere mit mehreren Schallquellen bzw. Schallempfängern, ermöglicht eine Plausibilisierung der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten.
• Ebenso vorteilhaft wird ein Fremdmedienanteil in dem Fluid mittels einer elektromagnetischen Welle bestimmt. Dabei wird eine elektromagnetische Welle geeigneter Frequenz in das Fluid eingestrahlt. Solche Sensoren sind dem bekannt und basieren auf der Messung der Permittivität des Mediums. Hinsichtlich näherer Details wird auf die US 6,014,029 verwiesen.
• Aus der Fremdmedienbestimmung kann entschieden werden, welcher Messwert (aus der Auswertung der Dopplerverschiebung oder aus der Laufzeitmessung) als plausibler einzuschätzen ist.
• Vorzugsweise wird der Fluiddruck aus einer Längenmessung bestimmt, vorzugsweise zur Bestimmung einer vom Fluiddruck verursachten Auslenkung oder Verformung eines elastischen Elements. z. B. einer Membran. Ein Zusammenhang zwischen Auslenkung oder Verformung und Druck kann beispielsweise empirisch bestimmt werden oder aus dem Elastizitätsmodul abgeleitet werden. Auch die Längenmessung kann vorteilhaft mit einer Durchflussgeschwindigkeitsmessung, z. B. laufzeitbasiert oder dopplerbasiert, verknüpft werden.
• Eine erfindungsgemäße Recheneinheit ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
• Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
• Figurenbeschreibung
• 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung.
• 2 zeigt eine zweite und dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
• In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 100 dargestellt. Die Messeinrichtung 100 ist hier zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen ausgebildet und weist dazu zwei kombinierte Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 sowie eine Recheneinheit 140, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, auf. Die zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 sind an einem Rohr 130 als Behälter für das Fluid angeordnet, um den Druck p des Fluids in dem Rohr 130 zu messen, und sind jeweils dafür eingerichtet, eine akustische Welle in dem Fluid zu erzeugen und auch zu empfangen. Die Auswertung des Messsignals erfolgt vorzugsweise durch die Recheneinheit 140 Das Fluid in dem Rohr 130 strömt mit einer Durchflussgeschwindigkeit v in der Figur von links nach rechts und steht unter dem Druck p. Eine Verbindungsstrecke L zwischen den Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 schließt mit der Durchflussgeschwindigkeit v einen Winkel φ ein. Der grundsätzliche Messaufbau entspricht demjenigen aus Ultraschall-Durchflussmessungen, die dem zuständigen Fachmann bekannt sind und auf die hinsichtlich näherer Details verwiesen wird.
• Die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 110 sendet eine Ultraschallwelle in Richtung der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 120 aus, die von dieser empfangen wird. Ebenso sendet die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 120 eine Ultraschallwelle in Richtung der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 110 aus, die von dieser empfangen wird. Die Laufzeiten t₁ (von 110 nach 120) und t₂ (von 120 nach 110) der beiden Wellen werden gemessen und zur Auswertung verwendet. Dazu sind die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 110, 120 mit der Recheneinheit 140 verbunden.
• Dieses Messverfahren kann besonders voreilhaft mit einer Durchflussmessung kombiniert werden, so dass eine kombinierte Druck- und Durchflussmessung mit nur einer Messeinrichtung möglich ist, die somit eine Ultraschall-Druck- und Durchfluss-Messeinrichtung ist. Für einen Messaufbau gemäß 1 ergeben sich folgende Zusammenhänge:

  
• Somit können aus der Laufzeitmessung sowohl die Durchflussgeschwindigkeit v als auch die Schallgeschwindigkeit c bestimmt werden. Ist eine gleichzeitige Messung der Durchflussgeschwindigkeit nicht erwünscht, wird beim Messaufbau φ = 90° gewählt.
• Die Schallgeschwindigkeit c besitzt eine Abhängigkeit vom Fluid selbst sowie von Druck p und Temperatur T des Fluids. Dies ist aus der Literatur (z. B. über Hydroakustik) bekannt. Im Allgemeinen kann man diese Abhängigkeit mathematisch formulieren gemäß: c = f(p, T). Bei Bekanntheit des Fluids und Messung der Temperatur T kann somit der Fluiddruck p aus der (insbesondere auf die oben beschriebene Weise bestimmten) Schallgeschwindigkeit c bestimmt werden. Die bekannte (z. B. aus Materialtabellen) oder zuvor gemessene Abhängigkeit c = f(T, p) kann für das vorhandene Fluid beispielsweise invertiert in einem Kennfeld in der Recheneinheit 140 gespeichert werden.
• Bei einem Fluidwechsel kann eine Kalibrierung der Schalldruckmesseinrichtung 100 durchgeführt werden, wobei z. B. eine Messung bei Stillstand des Fluides erfolgt. Dies kann in einem Hydraulikkreis umgesetzt werden, wenn z. B. bekannt ist, dass die Pumpe still steht bzw. dass alle Ventile geschlossen sind. Dieser Ruhestand kann von der Pumpen-/Ventilansteuerung z. B. über CAN-BUS an die Sensorelektronik gemeldet werden.
• Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die sich insbesondere für unbekannte Fluide und/oder unbekannte Temperaturen eignet, kann zusätzlich eine Referenzstrecke L₀ in einem Behälter mit demselben Fluid mit derselben Temperatur, jedoch bei einem Referenzdruck (z. B. bei Nenndruck) vermessen werden. Aus einem Vergleich der Schallgeschwindigkeit bei Referenzdruck und der gemessenen Schallgeschwindigkeit kann der Fluiddruck bestimmt werden. Ein Zusammenhang zwischen Schallgeschwindigkeit und Druck kann ebenfalls empirisch bestimmt und in der Recheneinheit 140 gespeichert werden.
• In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schalldruckmesseinrichtung 200 dargestellt. Die Schalldruckmesseinrichtung 200 ist hier zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen ausgebildet und weist dazu wiederum zwei kombinierte Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 sowie die Recheneinheit 140 auf. Die zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 sind wieder an dem Rohr 130 als Behälter für das Fluid angeordnet, um den Druck p des Fluids in dem Rohr 130 zu messen. Auch hierbei kann wiederum parallel eine Durchflussmessung stattfinden.
• Wenigstens eine der zwei Ultraschall-Sende-/Empfangseinheiten 210, 220 ist mit einer elastischen Membran 211, 221 ausgebildet, die ein Lumen 212, 222 gegenüber dem Fluid abgrenzt. Angrenzend an das Lumen 212, 222 ist der eigentliche Ultraschall-Sender/Empfänger 213, 223 angeordnet. Das Senden und Empfangen einer Ultraschallwelle erfolgt somit durch das jeweilige Lumen und die Membran. Die Elastizität der Membran ist bekannt, so dass aus einer Messung der Auslenkung der auf die Membran wirkende Differenzdruck zwischen Rohr 130 und Lumen bestimmt werden kann. Bei bekanntem Druck im Lumen (z. B. Atmosphärendruck) kann somit der Fluiddruck p bestimmt werden, wenn die Auslenkung der Membran bekannt ist. Diese kann auf nachfolgend beschriebene Weise leicht bestimmt werden:
  Es ist bekannt, dass akustische Wellen an der Grenzfläche zwischen zwei Medien zum Teil reflektiert, zum Teil transmittiert und zum Teil absorbiert werden. Durch Reflexion treten in dem Rohr 130 zwischen den Membranen 211 und 221 Interferenzen zwischen der emittierten und der reflektierten Welle auf. Je nach Phasenlage zwischen diesen Wellen können die Interferenzen konstruktiv oder destruktiv sein. Die relative Phasenlage hängt von der Länge der Übertragungsstrecke zwischen den Membranen 211 und 221 ab. Dies entspricht dem bekannten Aufbau eines ”Fabry-Perot” Resonators. Der Fluiddruck führt zu einer Verformung der wenigstens einen elastischen Membran 211, 221, so dass die Länge dieser Strecke selbst vom Fluiddruck abhängt. Durch Aufnahme eines Frequenzspektrums (d. h. Variieren der Frequenz der erzeugten Schallwelle, insbesondere durch die oben bereits angesprochene FMCW-Modulation, und Messen der empfangenen Intensität) kann eine Resonanzfrequenz bestimmt werden, bei der die maximale Schallintensität am Ort des Empfängers ankommt. Die Resonanzfrequenz ist ein Maß für die Länge der Strecke und somit für den Druck, wobei die Länge der Übertragungsstrecke zwischen den zwei Membranen ein ganzzähliges Vielfaches der zur Resonanzfrequenz gehörenden Schallwellenlänge ist. Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft mit der oben erläuterten Doppler-Fremdmedienbestimmung verknüpfen. Bei diesem Verfahren kann auch aus der Schallgeschwindigkeit der Welle und aus der Druckmessung die Temperatur des Fluids bestimmt werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann wenigstens eine der Membranen ähnlich einem BAW-Filter (engl. bulk acoustic wave) aufgebaut sein, wie in 2 für das Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 320 illustriert. Solche Filter sind aus der Kommunikationstechnik bekannt und dienen der hochselektiven Filterung von elektrischen Signalen als Bandpass. In einer einfachen Ausführungsform besteht ein solcher Filter aus einer piezoelektrischen Membran 321, die oben und unten mit je einer Elektrode kontaktiert ist. Vorzugsweise wird das übliche Filterprinzip eines angelegten elektrischen Signals im Rahmen der vorliegenden Erfindung umgekehrt. Die piezoelektrische Membran 321 wird von der von der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit 210 ausgesandten Ultraschallwelle angeregt. Durch Messung der an der Membran 231 abfallenden Spannung kann wiederum eine Resonanzfrequenz f₀ bestimmt werden, die von der Dicke d der Membran und der Schallgeschwindigkeit c innerhalb der Membran abhängt, gemäß f₀ = c/2d.
• Bei elastischer Verformung der Membran 321 aufgrund des Fluiddrucks von außen ändert sich die Schichtdicke d und damit die Resonanzfrequenz. Dies ist aus der Literatur bekannt. Diese Verschiebung der Resonanzfrequenz dient als Maß für den Druck. Dazu ist es vorteilhaft, auch die Temperatur der Membran 321 zu messen, da die Schallgeschwindigkeit in der Membran 321 auch von der Temperatur abhängt. Auch die Kombination dieses Verfahrens mit einer ultraschallbasierten Volumenstrommessung ist besonders vorteilhaft, da dann Ultraschallquelle sowie Auswerteelektronik für beide Methoden verwendet werden können.
• Bei allen Ausführungsformen kann die Anzahl der Schallsender und Schallempfängervariiert werden. Dies erweist sich als günstig, insbesondere zur genauen Ermittlung des Strömungsprofils.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009048646 A1 [0007]
• US 6014029 [0012]

Claims (17)

1. Verfahren zur Bestimmung des Drucks (p) eines Fluids in einem Behälter (130), wobei mittels einer akustischen Welle in dem Fluid eine von dem Druck (p) des Fluids beeinflusste Eigenschaft des Fluids oder eines mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagten Elements (121, 221, 321) in dem Behälter (130) ermittelt wird und wobei aus der ermittelten Eigenschaft der Druck (p) bestimmt wird, wobei mittels der akustischen Welle in dem Fluid zusätzlich eine Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluides durch den Behälter (130) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchflussgeschwindigkeit (v) des Fluids aus einer gemessenen Laufzeit oder aus einer gemessenen Doppler-Verschiebung der akustischen Welle bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die akustische Welle eine Ultraschallwelle ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine oder mehrere Laufzeiten der akustischen Welle für eine Messstrecke (L) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei aus der einen oder den mehreren Laufzeiten eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine Länge (L) einer Messstrecke ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei aus der bestimmten Länge der Messstrecke (L) eine Auslenkung des mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagten Elements (121, 221, 321) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft eine Dicke einer piezoelektrischen Membran (321) einer BAW-Filterstruktur ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die Eigenschaft aus einer Resonanzfrequenz der akustischen Welle bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das mit dem Druck (p) des Fluid beaufschlagte Element (121, 221, 321) eine elastische Membran ist.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Temperatur des Fluids in dem Behälter (130) gemessen oder bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine Fremdmedienkonzentration in dem Fluid bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Fremdmedienkonzentration aus einer Messung einer Dopplerverschiebung der akustischen Welle und/oder aus einer Messung einer Reflexionsintensität einer elektromagnetischen Welle an Fremdmedien bestimmt wird.
14. Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
15. Messeinrichtung (100) zur Messung des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit eines Fluides in einem Behälter (130), mit wenigstens einer akustischen Sendeeinheit (110, 120), die dafür eingerichtet ist, eine akustische Welle in dem Fluid zu erzeugen, wenigstens einer akustischen Empfangseinheit (110, 120), die dafür eingerichtet ist, die akustische Welle in dem Fluid zu empfangen, und einer Recheneinheit nach Anspruch 14.
16. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 14, ausgeführt werden.
17. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 16.

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