DE102018203127A1

DE102018203127A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses

Info

Publication number: DE102018203127A1
Application number: DE102018203127.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fischer; Peter Maue
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-05
Also published as: WO2019166181A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses, bei dem
- unter Verwendung eines Umschaltventils (2) eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen in eine Messkammer (1) mit bekanntem Volumen (V) eingeleitet wird,
- vor und nach dem Einleiten der Gaspulse in die Messkammer (1) der Druck (p_Start/Ende), die Temperatur (T_Start/Ende) und/oder die Ultraschallgeschwindigkeit (c_Start/Ende) in der Messkammer (1) gemessen werden,
- auf der Grundlage der Messwerte sowie des bekannten Volumens (V) der Messkammer (1) die jeweilige Gasmasse (m_Start/Ende) berechnet wird, und zwar nach einer der folgenden Gleichungen:
a)

m_{S t a r t / E n d e} = \frac{p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{R_{S} \cdot T_{S t a r t / E n d e}}

mit: R_S = spezielle Gaskonstante
b)

m_{S t a r t / E n d e} = \frac{K \cdot p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{c_{S t a r t / E n d e}^{2}}

mit: K = Adiabatenexponent,
- anschließend die Gasmasse (m_n) der eingeleiteten Gaspulse nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
c)

m_{n} = m_{E n d e} - m_{S t a r t}

und auf der Grundlage der berechneten Gasmasse (m_n) die Kalibrierung durchgeführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 219 236 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchflussmessung eines Gasinjektors bekannt, wobei das Verfahren mittels der Vorrichtung durchgeführt wird. Die Vorrichtung umfasst eine Messkammer zur zumindest mittelbaren Anordnung an einen Auslassbereich des Gasinjektors, eine Ventileinrichtung, mittels welcher ein Auslassquerschnitt der Messkammer und der in der Messkammer herrschende Druck einstellbar sind, sowie Messmittel zur Erfassung von in der Messkammer herrschenden Parametern des Gases. Um auch bei einer relativ geringen Anzahl von Gaseinblasungen bzw. wenigen Hüben des Gasinjektors, idealerweise bereits bei einem einzigen Einblasvorgang, die von dem Gasinjektor abgegebene Gasmenge bzw. Gasmasse hochgenau bestimmen zu können, ist die Ventileinrichtung der Vorrichtung dazu ausgebildet, den Auslassquerschnitt der Messkammer vollständig zu verschließen. Die erforderlichen Messungen können somit in einem geschlossenen Volumen durchgeführt werden, so dass die bei einer einzigen Gaseinblasung auftretenden, sich in der Messkammer ändernden Parameter besonders einfach, genau und effektiv messbar sind.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit bei der Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses weiter zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses, bei dem

- unter Verwendung eines Umschaltventils eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen in eine Messkammer mit bekanntem Volumen (V) eingeleitet wird,
- vor und nach dem Einleiten der Gaspulse in die Messkammer der Druck (p_Start/Ende), die Temperatur (T_Start/Ende) und/oder die Ultraschallgeschwindigkeit (c_Start/Ende) in der Messkammer gemessen werden,
- auf der Grundlage der Messwerte sowie des bekannten Volumens (V) der Messkammer die jeweilige Gasmasse (m_Start/Ende) berechnet wird, und zwar nach einer der folgenden Gleichungen:
- a) $m_{S t a r t / E n d e} = \frac{p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{R_{S} \cdot T_{S t a r t / E n d e}}$
  mit: R_S = spezielle Gaskonstante
- b) $m_{S t a r t / E n d e} = \frac{K \cdot p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{c_{S t a r t / E n d e}^{2}}$
  mit: K = Adiabatenexponent, - anschließend die Gasmasse (m_n) der eingeleiteten Gaspulse nach der folgenden Gleichung berechnet wird:
- c) $m_{n} = m_{E n d e} - m_{S t a r t}$
  - und auf der Grundlage der berechneten Gasmasse (m_n) die Kalibrierung durchgeführt wird.

Mittels des Umschaltventils kann ein pulsierender Gasstrom zwischen der Messkammer und einer Gasleitung geschaltet werden. Dies weist gegenüber einer Direkteinblasung in die Messkammer den Vorteil auf, dass die n-Schuss bereits vor ihrer Einleitung in die Messkammer einen stabilen Zustand erreichen können. Folglich herrscht auch in der Messkammer ein hinsichtlich Druck und/oder Temperatur weitgehend ausgeglichener Zustand.
Werden dagegen eine Vielzahl an Gas-Einzelmengen mittels eines Gasinjektors in eine Messkammer eingeblasen, wobei üblicherweise hohe Frequenzen bis etwa 100 Hz erreicht werden, wird ein Zustand in der Messkammer erzielt, der weder hinsichtlich Druck noch Temperatur ausgeglichen ist. Dies kann Messfehler zur Folge haben. Zur Korrektur derartiger Messfehler kann eine Kalibrierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt demnach eine hilfreiche Ergänzung zum eingangs genannten Verfahren zur Durchflussmessung eines Gasinjektors dar.
Die Beantwortung der Frage, ob bei den durchzuführenden Berechnungen Gleichung a) oder Gleichung b) zugrunde zu legen ist, hängt vom Druckanstieg in der Messkammer ab. Dieser wiederum hängt vom Volumen der Messkammer und der eingeleiteten Gasmenge ab. Ist der Druckanstieg gering, beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 1 bar rel., kann die für Idealgase geltende Gleichung a) zugrunde gelegt werden. Bei einem höheren Druckanstieg wird vorzugsweise die für reale Gase geltende Gleichung b) verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt vorzugsweise die Anzahl (n) der Gaspulse 100 bis 100.000, vorzugsweise 1.000 bis 10.000. Das heißt, dass eine vergleichsweise große Gasmenge in die Messkammer eingeleitet und dort gesammelt wird. Zustandsgrößen, wie beispielsweise der Druck (p) und die Temperatur (T) in der Messkammer, können auf diese Weise besonders leicht und damit besonders genau gemessen werden. Die Messgenauigkeit kann somit weiter verbessert werden.
Weiterhin vorzugsweise werden die Gaspulse in eine Messkammer mit einem Volumen (V) von 0,11 bis 10.000 I, vorzugsweise von 0,3 I bis 2.000 I, weiterhin vorzugsweise von 3 I bis 250 I eingeleitet. Das heißt, dass selbst bei einer sehr großen Anzahl (n) an Gaspulsen, die in die Messkammer eingeleitet werden, der Druck (p) in der Messkammer nur gering ansteigt. Entsprechend kann die für Idealgase geltende Gleichung a) zur Berechnung der Gasmassen (m_Start/Ende) verwendet werden.
Bei der Berechnung der jeweiligen Gasmassen (m_Start/Ende) wird vorzugsweise ein Volumen (V) zugrunde gelegt, das Zuschläge für mit der Messkammer verbundene Zu- und/oder Ableitungen umfasst. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Zu- und/oder Ableitungen ein Volumen aufweisen, das größer als eine gewünschte Toleranz ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass das Volumen (V) Abschläge für im Volumen (V) angeordnete Messmittel umfasst. Das heißt, dass das tatsächliche Volumen (V) ermittelt und den Berechnungen zugrunde gelegt wird. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei der Ermittlung der Gasmassen (m_Start/Ende) gesteigert werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Druck (p_Ende), die Temperatur (T_Ende) und/oder die Ultraschallgeschwindigkeit (c_Ende) der in die Messkammer eingeleiteten Gaspulse erst nach Ablauf einer Einschwingphase gemessen werden. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bei Durchführung der erforderlichen Messungen der Zustand in der Messkammer hinsichtlich Druck und/oder Temperatur im Wesentlichen ausgeglichen ist.
Die im Rahmen der Messungen ermittelten Messwerte werden bevorzugt an eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung geleitet. In dieser können die Gleichungen a) bis c) hinterlegt sein, so dass auf deren Grundlage die Gasmasse (m_n) berechnet werden kann. Des Weiteren bevorzugt wird mittels der Steuer- und/oder Auswerteeinheit das Umschaltventil betätigt, um in die Messkammer eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen einzuleiten.
Vor der Durchführung eines weiteren Kalibriervorgangs wird vorzugsweise der in der Messkammer durch Einleiten der Gaspulse erzeugte Überdruck abgebaut. Das heißt, dass in der Messkammer der Ausgangszustand wiederhergestellt wird. Hierzu wird das Umschaltventil oder ein weiteres Ventil geöffnet, um Gas aus der Messkammer abzulassen.
Die darüber hinaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung umfasst

- eine Messkammer mit bekanntem Volumen (V),
- ein Umschaltventil, mittels dessen eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen unmittelbar oder mittelbar über eine Zuleitung in die Messkammer einleitbar ist, und
- Messmittel, die mindestens einen Sensor umfassen. Bei den Messmitteln kann es sich insbesondere um einen Duck-, Temperatur- und/oder Ultraschallsensor handeln.

Sind die Messmittel in der Messkammer angeordnet, verringert sich das Volumen (V) entsprechend. An die Messkammer angeschlossene Zu- und/oder Ableitungen vergrößern das Volumen (V). Bei dem Volumen (V) handelt es sich daher um das tatsächliche Volumen hinter dem Umschaltventil. Dieses wird als bekannt vorausgesetzt.
Das Umschaltventil, das der Einleitung einer definierten Anzahl (n) an Gaspulsen in die Messkammer dient, ist vorzugsweise als 3/2-Wegeventil ausgeführt. Die Messkammer oder eine mit der Messkammer verbundene Zuleitung kann auf diese Weise mit einer Gasleitung verbunden werden, über welche der Vorrichtung eine Gasmenge zuführbar ist, die einer definierten Anzahl (n) an Gaspulsen entspricht. Im Unterschied zur Direkteinblasung in die Messkammer kann auf diese Weise von Beginn an ein vergleichsweise stabiler Zustand hinsichtlich Druck und Temperatur in der Messkammer erzielt werden. Ferner kann durch erneutes Schalten des Umschaltventils ein in sich geschlossenes Volumen (V) geschaffen werden, das eine schnelle Stabilisierung fördert.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Sensor über eine Signalleitung mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung verbunden. Die mittels des Sensors erfassten Messwerte können dann an die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Auswertung bzw. zur Steuerung der Vorrichtung, insbesondere der Messmittel und/oder des Umschaltventils geleitet werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mit einem zu kalibrierenden Gerät verbunden ist, um die gewünschte Kalibrierung vorzunehmen. Durch die vergleichsweise große Messkammer kann der durch Einleiten der Gaspulse bewirkte Druckanstieg auf einen kleinen Betrag eingestellt werden, so dass eine sehr genaue Berechnung des Korrekturfaktors möglich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses,
2 eine schematische Darstellung einer erweiterten Vorrichtung und
3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung der 1 in Kombination mit einer Vorrichtung zur Durchflussmessung eines Gasinjektors.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der schematischen Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses mit einer Messkammer 1 und einem Umschaltventil 2 zu entnehmen, mittels dessen die Messkammer 1 bzw. eine mit der Messkammer 1 verbundene Zuleitung 3 mit einer Gasleitung 9 verbindbar ist. Auf diese Weise kann der Messkammer 1 eine Gasmenge zugeführt werden, die einer definierten Anzahl (n) von Gaspulsen entspricht. An die Messkammer 1 ist ferner eine Ableitung 4 mit einem Ventil 12 angeschlossen, über welche Gas aus der Messkammer 1 abgelassen werden kann, um - nach erfolgter Messung - einen in der Messkammer 1 erzeugten Überdruck anzubauen.
In der Messkammer 1 sind Messmittel in Form eines Drucksensors 6, eines Temperatursensors 7 sowie eines weiteren Sensors 8 aufgenommen, wobei es sich bei dem weiteren Sensor 8 beispielsweise um einen Ultraschallsensor handeln kann. Mittels der Sensoren 6, 7, 8 können die entsprechenden Zustandsgrößen, insbesondere der Druck p und die Temperatur T in der Messkammer 1 erfasst werden. Die Sensoren 6, 7, 8 sind über Signalleitungen 11 an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 angeschlossen, in der auf der Grundlage der mittels der Sensoren 6, 7, 8 erfassten Messwerte und des Volumens V der Messkammer 1 die Gasmasse m_n berechnet wird.
Wie - stark vereinfacht - in der 2 dargestellt kann die Vorrichtung 10 über eine Gasleitung, vorzugsweise die Gasleitung 9, und eine Synchronisierungsleitung 13 mit einem Kalibriergerät 14 verbunden sein, um bei einer festgestellten Abweichung eine entsprechende Kalibrierung vorzunehmen.
In der 3 ist die Vorrichtung 10 in Kombination mit der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 20 zur Durchflussmessung eines Gasinjektors dargestellt. Mittels der Vorrichtung 10 kann eine Kalibrierung der Vorrichtung 20 durchgeführt werden.
Hierzu wird die Gasleitung 9 mit dem Ausgang der Ventileinrichtung 17 der Vorrichtung 20 verbunden. Über die Ventileinrichtung 17 ist die Gasleitung 9 mit einer Messkammer 19 der Vorrichtung 20 verbindbar, in die mittels eines Gasinjektors 15 Gas eingeblasen wird. Mittels des Umschaltventils 2 wird die Gasmenge von einer definierten Anzahl an Impulsen n in die Messkammer 1 der Vorrichtung 10 eingeleitet, um die Gasmasse m_n zu bestimmen. Wird eine Abweichung festgestellt, kann mittels der Vorrichtung 10 eine Kalibrierung vorgenommen werden. Die Vorrichtung 10 ist hierzu über eine Synchronisierungsleitung 18 mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 16 der Vorrichtung 20 verbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015219236 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines pulsierenden Gasdurchflusses, bei dem - unter Verwendung eines Umschaltventils (2) eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen in eine Messkammer (1) mit bekanntem Volumen (V) eingeleitet wird, - vor und nach dem Einleiten der Gaspulse in die Messkammer (1) der Druck (p_Start/Ende), die Temperatur (T_Start/Ende) und/oder die Ultraschallgeschwindigkeit (c_Start/Ende) in der Messkammer (1) gemessen werden, - auf der Grundlage der Messwerte sowie des bekannten Volumens (V) der Messkammer (1) die jeweilige Gasmasse (m_Start/Ende) berechnet wird, und zwar nach einer der folgenden Gleichungen: a) $m_{S t a r t / E n d e} = \frac{p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{R_{S} \cdot T_{S t a r t / E n d e}}$
mit: R_S = spezielle Gaskonstante b) $m_{S t a r t / E n d e} = \frac{K \cdot p_{S t a r t / E n d e} \cdot V}{c_{S t a r t / E n d e}^{2}}$
mit: K = Adiabatenexponent, - anschließend die Gasmasse (m_n) der eingeleiteten Gaspulse nach der folgenden Gleichung berechnet wird: c) $m_{n} = m_{E n d e} - m_{S t a r t}$
und auf der Grundlage der berechneten Gasmasse (m_n) die Kalibrierung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Gaspulse 100 bis 100.000, vorzugsweise 1.000 bis 10.000 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaspulse in eine Messkammer (1) mit einem Volumen (V) von 0,11 bis 10.000 I, vorzugsweise von 0,3 I bis 2.000 I, weiterhin vorzugsweise von 3 I bis 250 I eingeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der jeweiligen Gasmassen (m_Start/Ende) ein Volumen (V) zugrunde gelegt wird, das Zuschläge für mit der Messkammer (1) verbundene Zu- und/oder Ableitungen (3, 4) und/oder Abschläge für im Volumen (V) angeordnete Messmittel umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (p_Ende), die Temperatur (T_Ende) und/oder die Ultraschallgeschwindigkeit (c_Ende) der in die Messkammer (1) eingeleiteten Gaspulse erst nach Ablauf einer Einschwingphase gemessen werden, so dass der Zustand in der Messkammer (1) hinsichtlich Druck und/oder Temperatur im Wesentlichen ausgeglichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte an eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (5) geleitet werden, mittels welcher vorzugsweise die Gasmasse (m_n) nach den Gleichungen a) bis c) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung eines weiteren Kalibriervorgangs der in der Messkammer (1) durch Einleiten der Gaspulse erzeugte Überdruck abgebaut wird.
Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - eine Messkammer (1) mit bekanntem Volumen (V), - ein Umschaltventil (2), mittels dessen eine definierte Anzahl (n) an Gaspulsen unmittelbar oder mittelbar über eine Zuleitung (3) in die Messkammer (1) einleitbar ist, und - Messmittel, die mindestens einen Sensor (6, 7, 8) umfassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (2) zur Verbindung der Messkammer (1) oder einer mit der Messkammer (1) verbundenen Zuleitung (3) mit einer Gasleitung (9) als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (6, 7, 8) über eine Signalleitung (11) mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (5) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mit einem zu kalibrierenden Gerät verbunden ist.