DE102019125721A1

DE102019125721A1 - Device for calibrating a pressure sensor and method for calibrating a pressure sensor

Info

Publication number: DE102019125721A1
Application number: DE102019125721.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lenz; Sebastian Detzel; Volker Leibfritz
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Kalibrieren eines Drucksensors (2), wobei die Vorrichtung (1) aufweist:
- einen Zylinder (3),
- einen in dem Zylinder (3) bewegbar geführten Kolben (4), wobei zwischen dem Zylinder (3) und dem Kolben (4) ein Hohlraum zur Aufnahme eines Fluids (5) gebildet ist, wobei ein Volumen des Hohlraums durch ein Bewegen des Kolbens (4) relativ zu dem Zylinder (3) veränderbar ist, wobei der Drucksensor (2) derart anordenbar ist, dass ein in dem Fluid (5) herrschender Druck und/oder eine Druckänderung in dem Fluid (5) von dem Drucksensor (2) erfassbar ist,
- eine Haltevorrichtung (6), wobei die Haltevorrichtung (6) in einer ersten Stellung ein Bewegen des Kolbens (4) relativ zu dem Zylinder (3) ermöglicht und in einer zweiten Stellung ein Bewegen des Kolbens (4) relativ zu dem Zylinder (3) verhindert,
- eine Messvorrichtung (9) zum Messen einer Position des Kolbens (4) relativ zu dem Zylinder (3).
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt unter Bereitstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).

The application relates to a device (1) for calibrating a pressure sensor (2), the device (1) having:
- a cylinder (3),
- A piston (4) movably guided in the cylinder (3), a cavity for receiving a fluid (5) being formed between the cylinder (3) and the piston (4), a volume of the cavity being formed by moving the piston (4) is changeable relative to the cylinder (3), wherein the pressure sensor (2) can be arranged in such a way that a pressure prevailing in the fluid (5) and / or a pressure change in the fluid (5) is detected by the pressure sensor (2) is detectable,
- A holding device (6), wherein the holding device (6) enables the piston (4) to be moved relative to the cylinder (3) in a first position and enables the piston (4) to be moved relative to the cylinder (3) in a second position ) prevents
- A measuring device (9) for measuring a position of the piston (4) relative to the cylinder (3).
The method according to the invention takes place with provision of the device (1) according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Drucksensors sowie ein Verfahren zum Kalibrieren eines Drucksensors, insbesondere eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum dynamischen Kalibrieren eines Drucksensors.The present invention relates to a device for calibrating a pressure sensor and a method for calibrating a pressure sensor, in particular a device and a method for dynamic calibration of a pressure sensor.

Herstellungsbedingt kann das Verhältnis von tatsächlichem Druck zu den von dem Drucksensor ausgegebenen Signal von Drucksensor zu Drucksensor verschieden sein. Dies betrifft sowohl das ausgegebene Signal bei statischen Drücken als auch Unterschiede im dynamischen Verhalten, das heißt, die Signale bei sich dynamisch verändernden Drücken.Due to the manufacturing process, the ratio of the actual pressure to the signal output by the pressure sensor can be different from pressure sensor to pressure sensor. This applies to both the output signal in the case of static pressures and differences in dynamic behavior, i.e. the signals in the case of dynamically changing pressures.

Um daher aus dem von dem Drucksensor ausgegebenen Signal auf den tatsächlich anliegenden Druck zu schließen, bedarf es einer Kalibrierung des entsprechenden Drucksensors typischerweise sowohl hinsichtlich seines statischen als auch seines dynamischen Verhaltens.In order to infer the actually applied pressure from the signal output by the pressure sensor, the corresponding pressure sensor typically needs to be calibrated both with regard to its static and its dynamic behavior.

Unter Kalibrieren wird ein Verfahren verstanden, bei dem für den entsprechenden Drucksensor ein Kalibrierwert und/oder mehrere Kalibrierwerte und/oder eine Kalibrierkurve ermittelt wird, um mittels des Kalibrierwerts und/oder der Kalibrierwerte und/oder der Kalibrierkurve und des von dem Drucksensor ausgegebenen Signals den tatsächlich anliegenden Druck zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird das von dem zu kalibrierenden Drucksensor ausgegebene Signal bei einem bekannten Druck bzw. bei bekannten Drücken bzw. bei bekannten Druckverläufen ermittelt und aus diesen Werten ein Kalibrierwert und/oder mehrere Kalibrierwerte und/oder eine Kalibrierkurve ermittelt.Calibration is understood to mean a method in which a calibration value and / or a plurality of calibration values and / or a calibration curve is determined for the corresponding pressure sensor in order to use the calibration value and / or the calibration values and / or the calibration curve and the signal output by the pressure sensor to determine actually applied pressure. For this purpose, the signal output by the pressure sensor to be calibrated is determined at a known pressure or at known pressures or with known pressure profiles and a calibration value and / or several calibration values and / or a calibration curve is determined from these values.

Aus der WO 2018/054540 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dynamischen Kalibrierung von Drucksensoren bekannt, wobei bei dem in der vorgenannten Druckschrift beschriebenen Vorrichtung bzw. dem in der vorgenannten Druckschrift beschriebenen Verfahren ein dynamischer Druck mittels eines externen Aktors erzeugt wird. Der Aktor wirkt dabei auf einen in einem Zylinder bewegbaren Kolben ein, wodurch ein zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildetes Volumen verändert wird. Dabei ist in dem Volumen ein Fluid angeordnet, dessen Druck sich entsprechender der Bewegung des Kolbens verändert. Der Drucksensor ist dabei derart angeordnet, dass dieser den in dem Fluid herrschenden Druck erfasst. Nachteilig bei der aus der vorgenannten Druckschrift bekannten Vorrichtung bzw. dem Verfahren ist, dass, insbesondere bei der Verwendung einer Flüssigkeit als Fluid, relativ große Kräfte durch den Aktor aufgebracht werden müssen, um eine signifikante Druckänderung in dem Medium zu erzeugen. Ferner wird der zeitliche Verlauf der Druckänderung im Wesentlichen durch die aktive Bewegung des Aktors bestimmt, welcher aufgrund seiner Bewegung der eigentlichen Messvorrichtung die Druckänderung aufprägt.From the WO 2018/054540 A1 a device and a method for dynamic calibration of pressure sensors are known, with the device described in the aforementioned publication or the method described in the aforementioned publication, a dynamic pressure being generated by means of an external actuator. The actuator acts on a piston that can be moved in a cylinder, as a result of which a volume formed between the piston and the cylinder is changed. In this case, a fluid is arranged in the volume, the pressure of which changes in accordance with the movement of the piston. The pressure sensor is arranged in such a way that it detects the pressure prevailing in the fluid. The disadvantage of the device or method known from the aforementioned publication is that, in particular when using a liquid as the fluid, relatively large forces have to be applied by the actuator in order to generate a significant change in pressure in the medium. Furthermore, the time profile of the pressure change is essentially determined by the active movement of the actuator, which, due to its movement, impresses the pressure change on the actual measuring device.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das auf baulich besonders einfache Art ein Kalibrieren, insbesondere ein dynamisches Kalibrieren, eines Drucksensors ermöglicht.The object of the invention is to specify a device and a method that enables a pressure sensor to be calibrated, in particular dynamically calibrated, in a structurally particularly simple manner.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Gelöst wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren, das die Merkmale des Patentanspruchs 7 aufweist.The object is achieved by a device which has the features of claim 1. The object is also achieved by a method which has the features of claim 7.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kalibrieren eines Drucksensors weist die folgenden Merkmale auf:

• einen Zylinder,
• einen in dem Zylinder bewegbar geführten Kolben, wobei zwischen dem Zylinder und dem Kolben ein Hohlraum zur Aufnahme eines Fluids gebildet ist, wobei ein Volumen des Hohlraums durch ein Bewegen des Kolbens relativ zu dem Zylinder veränderbar ist, wobei der Drucksensor derart anordenbar ist, dass ein in dem Fluid herrschender Druck und/oder eine Druckänderung in dem Fluid von dem Drucksensor erfassbar ist,
• eine Haltevorrichtung, wobei die Haltevorrichtung in einer ersten Stellung ein Bewegen des Kolbens relativ zu dem Zylinder ermöglicht und in einer zweiten Stellung ein Bewegen des Kolbens relativ zu dem Zylinder verhindert,
• eine Messvorrichtung zum Messen einer Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder.

The device according to the invention for calibrating a pressure sensor has the following features:

• a cylinder,
A piston movably guided in the cylinder, a cavity for receiving a fluid being formed between the cylinder and the piston, a volume of the cavity being changeable by moving the piston relative to the cylinder, the pressure sensor being able to be arranged such that a pressure prevailing in the fluid and / or a pressure change in the fluid can be detected by the pressure sensor,
A holding device, wherein the holding device enables the piston to move relative to the cylinder in a first position and prevents the piston from moving relative to the cylinder in a second position,
A measuring device for measuring a position of the piston relative to the cylinder.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine dynamische Druckänderung in dem Fluid zu erzeugen, ohne dass zu diesem Zweck ein externer Aktor verwendet werden muss, welcher aktiv auf den Kolben einwirkt, beispielsweise mechanisch auf den Kolben derart einwirkt, dass sich die Position des Kolbens verändert, um dadurch eine Druckänderung in dem Fluid zu erreichen, wobei die Druckänderung in dem Fluid und/oder der in dem Fluid herrschende Druck von dem Drucksensor erfassbar ist.The device according to the invention makes it possible to generate a dynamic pressure change in the fluid without having to use an external actuator which actively acts on the piston for this purpose, for example acts mechanically on the piston in such a way that the position of the piston changes, in order to thereby achieve a pressure change in the fluid, wherein the pressure change in the fluid and / or the pressure prevailing in the fluid can be detected by the pressure sensor.

Im Gegensatz zu der aus der Druckschrift WO 2018/054540 A1 bekannten Vorrichtung ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig, die Druckänderung über einen externen Aktor zu erzeugen.In contrast to the one from the pamphlet WO 2018/054540 A1 known device, it is not necessary in the device according to the invention to generate the pressure change via an external actuator.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, den Kolben zunächst mit einer externen statischen Kraft zu beaufschlagen, sodass sich das Volumen des Hohlraums aufgrund der externen statischen Kraft verändert, insbesondere verkleinert. Während der Kolben mit der externen statischen Kraft beaufschlagt wird, kann dann die Haltevorrichtung von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführt werden und anschließend die externe statische Kraft entfernt werden bzw. die Beaufschlagung des Kolbens mit der externen statischen Kraft beendet werden. Aufgrund der Haltevorrichtung, welche sich dann in der zweiten Stellung befindet, ist die an dem Fluid geleistete Arbeit in dem Fluid gespeichert bzw. der gegenüber der Umgebung erhöhte oder erniedrigte Druck in dem Fluid kann nicht ausgeglichen werden, da die Haltevorrichtung in der zweiten Stellung ein Bewegen des Kolbens verhindert. In diesem Zustand, im Weiteren als Initialzustand bezeichnet, liegt in dem Fluid ein extremaler Wert des Drucks vor. Vorzugsweise erfolgt die Beaufschlagung des Kolbens mit der externen Kraft derart, dass der Druck in dem Fluid gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht ist, insofern in dem vorgenannten Zustand ein Maximalwert des Drucks in dem Fluid vorliegt.The device according to the invention makes it possible to initially apply an external static force to the piston, so that the volume of the cavity due to the external static force changed, in particular decreased. While the piston is being applied with the external static force, the holding device can then be transferred from the first position to the second position and then the external static force can be removed or the application of the piston with the external static force can be ended. Due to the holding device, which is then in the second position, the work done on the fluid is stored in the fluid or the pressure in the fluid, which is increased or decreased relative to the environment, cannot be compensated because the holding device is in the second position Movement of the piston prevented. In this state, hereinafter referred to as the initial state, there is an extreme value of the pressure in the fluid. The external force is preferably applied to the piston in such a way that the pressure in the fluid is higher than the ambient pressure, insofar as a maximum value of the pressure in the fluid is present in the aforementioned state.

Zwecks dynamischer Kalibrierung des Drucksensors wird, nach Herbeiführung des Initialzustands, die Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung überführt, sodass ein Druckausgleich des Fluids stattfinden kann. Aufgrund der in dem Fluid gespeicherten Energie fährt der Kolben aus dem Zylinder heraus oder herein. Abhängig von den gewählten Parametern, wie beispielsweise des Fluids, der initial aufgebrachten externen Kraft sowie der Geometrie von Kolben und Zylinder etc. wird es typischerweise zu einer periodischen Bewegung des Kolbens zu dem Zylinder kommen, wobei eine Amplitude der Auslenkung des Kolbens abnehmend ist. Insofern wird der Kolben typischerweise eine gedämpfte Schwingung ausführen. Entsprechend der periodischen Bewegung des Kolbens entsteht in dem Hohlraum bzw. in dem in den Hohlraum angeordneten Fluid eine periodische Abfolge von Druckimpulsen mit abnehmender Amplitude. In der Regel sind die zeitlichen Abstände zwischen den Impulsen bekannt bzw. vorhersagbar und durch den Aufbau der Vorrichtung bedingt, sodass bei einem Abweichen von dem erwarteten zeitlichen Abstand auf einen Fehler bei dem Kalibriervorgang bzw. bei der Durchführung des Kalibrierens geschlossen werden kann. Dadurch kann ein fehlerhaftes Kalibrieren vermieden werden. Im Gegensatz zu einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren mit einem externen Aktor, welcher dem Kolben eine periodische Bewegung aufzwingt, hat das System den Vorteil, dass die Abfolge der Druckimpulse durch die Vorrichtung selbst bestimmt ist und zusätzlich Variablen und/oder Unsicherheiten aufgrund eines extern einwirkenden Aktor nicht auftreten. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Messunsicherheiten aus.For the purpose of dynamic calibration of the pressure sensor, after the initial state has been brought about, the holding device is transferred from the second position to the first position, so that a pressure equalization of the fluid can take place. Due to the energy stored in the fluid, the piston moves out of or in the cylinder. Depending on the parameters selected, such as the fluid, the initially applied external force and the geometry of the piston and cylinder, etc., there will typically be a periodic movement of the piston to the cylinder, with an amplitude of the deflection of the piston decreasing. In this respect, the piston will typically perform a damped oscillation. Corresponding to the periodic movement of the piston, a periodic sequence of pressure pulses with decreasing amplitude arises in the cavity or in the fluid arranged in the cavity. As a rule, the time intervals between the pulses are known or predictable and are determined by the structure of the device, so that if there is a deviation from the expected time interval, an error in the calibration process or in performing the calibration can be concluded. In this way, incorrect calibration can be avoided. In contrast to a device or a method with an external actuator which imposes a periodic movement on the piston, the system has the advantage that the sequence of the pressure pulses is determined by the device itself and, in addition, variables and / or uncertainties due to an externally acting Actuator does not occur. This has a beneficial effect on the measurement uncertainties.

Ein weiterer Vorteil der vorgenannten Vorrichtung ist, dass nach dem Beaufschlagen des Systems mit der externen statischen Kraft ein thermischer Ausgleich des Systems stattfinden kann. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Kolben zunächst mit einer externen statischen Kraft beaufschlagt wird, anschließend ein thermischer Ausgleich des Fluids mit der Umgebung stattfinden kann, beispielsweise durch Abwarten einer bestimmten Zeit, und erst nach diesem thermischen Ausgleich die Haltevorrichtung von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführt wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Genauigkeit der Kalibrierung aus, da ein Kompressionsmodul des Fluids, welches zur Berechnung des in dem Fluid herrschenden Drucks und/oder der Druckänderung benötigt wird, typischerweise temperaturabhängig ist.Another advantage of the aforementioned device is that after the system has been subjected to the external static force, the system can be thermally balanced. This can be done by first applying an external static force to the piston, then thermally balancing the fluid with the environment, for example by waiting a certain time, and only after this thermal balancing does the holding device move from the first position to the second position is transferred. This has an advantageous effect on the accuracy of the calibration, since a compression module of the fluid, which is required to calculate the pressure prevailing in the fluid and / or the pressure change, is typically temperature-dependent.

Bei dem Fluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit, insbesondere um ein Öl.The fluid is preferably a liquid, in particular an oil.

Vorzugsweise ist der Drucksensor in dem Hohlraum oder angrenzend an den Hohlraum anordenbar. Vorzugsweise ist der Drucksensor in dem Zylinder lagerbar.The pressure sensor can preferably be arranged in the cavity or adjacent to the cavity. The pressure sensor can preferably be stored in the cylinder.

Vorzugsweise ist der Kolben linear bewegbar. Vorzugsweise ist der Kolben entlang der Gravitationskraft bewegbar.The piston can preferably be moved linearly. The piston is preferably movable along the gravitational force.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zum Beaufschlagen des Kolbens mit der externen statischen Kraft aufweist. Bei den Mitteln kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Gewichte handeln und/oder um einen Aktor handeln. Es ist auch durchaus denkbar, dass das Mittel Gewichte und einen Aktor umfasst. Der Vorteil von Gewichten besteht unter anderem darin, dass mittels der Verwendung von Gewichten die aufgebrachte Kraft und somit der in dem Fluid herrschende Druck sehr genau eingestellt werden kann, da die Gewichtskraft der Gewichte sehr genau bestimmt werden kann bzw. bekannt ist und durch die Verwendung von mehreren Gewichten die externe Kraft somit sehr genau eingestellt werden kann. Der besondere Vorteil liegt auch darin, dass die durch Gewichte aufgebrachte Kraft nur von deren Gewicht abhängt, somit mögliche Fehler bzw. Ungenauigkeiten sehr gering sind.In an advantageous further development of the device, it is provided that the device has means for applying the external static force to the piston. The means can be, for example, one or more weights and / or an actuator. It is also entirely conceivable for the means to include weights and an actuator. The advantage of weights is, among other things, that the applied force and thus the pressure prevailing in the fluid can be set very precisely by using weights, since the weight of the weights can be determined very precisely or is known and through the use the external force can thus be set very precisely using several weights. The particular advantage is that the force applied by weights only depends on their weight, so that possible errors or inaccuracies are very low.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Vorrichtung eine Einrichtung zum Messen der Kraft aufweist, mit welcher der Kolben beaufschlagt wird.It is considered to be particularly advantageous if the device has a device for measuring the force with which the piston is acted upon.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Auswerteelektronik umfasst, welche dazu eingerichtet ist, mittels der gemessenen Position und/oder Positionen und/oder der zeitlichen Entwicklung der Position des Kolbens und eines bekannten Kompressionsmoduls des in dem Hohlraum angeordneten Fluids einen in dem Fluid herrschenden Druck bei der gemessenen Position des Kolbens und/oder eine Druckänderung in dem Fluid zwischen den Positionen des Kolbens zu ermitteln.In a preferred embodiment of the device it is provided that the device comprises evaluation electronics, which are set up to use the measured position and / or positions and / or the temporal development of the position of the piston and a known compression module of the fluid arranged in the cavity pressure prevailing in the fluid to determine the measured position of the piston and / or a pressure change in the fluid between the positions of the piston.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass die Änderung des Volumens durch die Bewegung des Kolbens derart ist, dass es zu einem Verdampfen zumindest eines Teils des Fluids bei der periodischen Bewegung des Kolbens kommt. In diesem Zusammenhang wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der Drucksensor derart angeordnet ist, dass dieser bei einem Verdampfen des Fluids in einem Bereich angeordnet ist, in welchem das Fluid in einem gasförmigen Zustand vorliegt. Dementsprechend wird der Drucksensor dann einen besonders niedrigen Druck messen, nämlich den entsprechenden Dampfdruck des Fluids bzw. der Flüssigkeit, welcher typischerweise besonders niedrig ist, in der Regel im Bereich von 30 bis 100 Pa, sodass eine besonders genaue Absolutdruckkalibrierung des Drucksensors möglich ist.It is considered to be particularly advantageous if the device is set up so that the change in volume due to the movement of the piston is such that at least part of the fluid evaporates during the periodic movement of the piston. In this context, it is considered particularly advantageous if the pressure sensor is arranged in such a way that, when the fluid evaporates, it is arranged in an area in which the fluid is in a gaseous state. Accordingly, the pressure sensor will then measure a particularly low pressure, namely the corresponding vapor pressure of the fluid or the liquid, which is typically particularly low, usually in the range of 30 to 100 Pa, so that a particularly precise absolute pressure calibration of the pressure sensor is possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Drucksensors umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

• Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
• Einbringen des Fluids in den Hohlraum,
• Anordnen des zu kalibrierenden Drucksensors derart, dass ein in dem Fluid herrschender Druck und/oder eine Druckänderung in dem Fluid von dem Drucksensor erfassbar ist,
• Beaufschlagen des Kolbens mit einer externen statischen Kraft, wobei sich die Haltevorrichtung in der ersten Stellung befindet,
• Überführen der Haltevorrichtung von der ersten Stellung in die zweite Stellung,
• Entfernen der auf dem Kolben wirkenden externen statischen Kraft,
• Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung,
• Messen der Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder,
• Erfassen eines den Druck repräsentierenden Signals des Drucksensors.

The method according to the invention for calibrating a pressure sensor comprises the following method steps:

• providing a device according to one of claims 1 to 6,
• Introducing the fluid into the cavity,
• Arranging the pressure sensor to be calibrated in such a way that a pressure prevailing in the fluid and / or a pressure change in the fluid can be detected by the pressure sensor,
• applying an external static force to the piston with the holding device in the first position,
• Transfer of the holding device from the first position to the second position,
• removing the external static force acting on the piston,
• Transfer of the holding device from the second position to the first position,
• measuring the position of the piston relative to the cylinder,
• Acquisition of a pressure-representing signal from the pressure sensor.

Die vorgenannten Verfahrensschritte sind nicht zwingend in der beschriebenen Reihenfolge auszuführen, sofern dies sinnvoll und technisch machbar ist. So ist es zum Beispiel denkbar, dass zunächst der zu kalibrierende Drucksensor angeordnet und dann das Fluid in den Hohlraum eingebracht wird. Auch das Messen der Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder und das Erfassen des den Druck repräsentierenden Signals des Drucksensors kann durchaus schon vor dem Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung erfolgen bzw. auch schon vor dem Beaufschlagen des Kolbens mit der externen statischen Kraft erfolgen. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Messen der Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder und das Erfassen des den Druck repräsentierenden Signals des Drucksensors zeitgleich erfolgen.The aforementioned process steps do not necessarily have to be carried out in the order described, provided this is sensible and technically feasible. For example, it is conceivable that the pressure sensor to be calibrated is arranged first and then the fluid is introduced into the cavity. The measurement of the position of the piston relative to the cylinder and the detection of the signal from the pressure sensor representing the pressure can also take place before the holding device is transferred from the second position to the first position or even before the external pressure is applied to the piston static force. In particular, it is provided that the measurement of the position of the piston relative to the cylinder and the detection of the signal from the pressure sensor representing the pressure take place at the same time.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die externe statische Kraft derart auf den Kolben einwirkt, dass der Druck in dem Fluid gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht ist.It is considered to be particularly advantageous if the external static force acts on the piston in such a way that the pressure in the fluid is higher than the ambient pressure.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kolben nach dem Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung frei von auf den Kolben einwirkenden externen Kräften ist.In a preferred embodiment it is provided that the piston is free of external forces acting on the piston after the holding device has been transferred from the second position to the first position.

Unter externen Kräften werden vorliegend nicht die Gravitation und/oder Reibungskräfte verstanden, sondern insbesondere verstanden, dass auf den Kolben keine externe dynamische Kraft einwirkt, welche dem Kolben eine dynamische Bewegung, insbesondere eine periodische Bewegung, aufprägt.In the present case, external forces are not understood to mean gravitation and / or frictional forces, but rather to be understood in particular that no external dynamic force acts on the piston, which imparts a dynamic movement, in particular a periodic movement, to the piston.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn nach dem Beaufschlagen des Kolbens mit der externen statischen Kraft ein thermischer Ausgleich des Fluids ermöglicht wird und erst nach dem thermischen Ausgleich die Haltevorrichtung von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführt wird.It is considered to be particularly advantageous if, after the external static force has been applied to the piston, a thermal equalization of the fluid is made possible and the holding device is only transferred from the first position to the second position after the thermal equalization.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn sich die Position des Kolbens nach dem Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung periodisch ändert.It is considered to be particularly advantageous if the position of the piston changes periodically after the holding device has been transferred from the second position to the first position.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Messen der Position des Kolbens und/oder das Erfassen des Signals des Drucksensors zeitaufgelöst erfolgt.It is considered to be particularly advantageous if the measurement of the position of the piston and / or the detection of the signal from the pressure sensor takes place in a time-resolved manner.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ausgangsposition des Kolbens und ein Ausgangssignal des Drucksensors erfasst werden, wobei die Ausgangsposition des Kolbens die Position des Kolbens vor dem Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung nach dem Beaufschlagen des Kolbens mit der externen statischen Kraft ist und das Ausgangssignal das Signal des Drucksensors in diesem Zustand ist.In a preferred embodiment of the method, it is provided that an initial position of the piston and an output signal of the pressure sensor are detected, the initial position of the piston including the position of the piston before the holding device is transferred from the second position to the first position after the piston has been acted upon of the external static force and the output signal is the signal of the pressure sensor in this state.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass mittels der gemessenen Position des Kolbens und eines bekannten Kompressionsmoduls des Fluids der in dem Fluid herrschende Druck und/oder eine Druckänderung errechnet wird, wobei der errechnete Druck und/oder die errechnete Druckänderung mit dem Signal des Drucksensors verglichen wird und aus dem Vergleich ein entsprechender Kalibrierfaktor ermittelt wird. So erfolgt keine Kraftübertragung durch Stoßbedingungen oder Kraft- bzw. Formschluss mehrerer mechanischer Komponenten, und es gibt keine Wechselwirkungen veränderlicher Massekräfte.In an advantageous development it is provided that the pressure prevailing in the fluid and / or a pressure change is calculated by means of the measured position of the piston and a known compression module of the fluid, with the The calculated pressure and / or the calculated pressure change is compared with the signal from the pressure sensor and a corresponding calibration factor is determined from the comparison. There is no force transmission through impact conditions or force or form fit of several mechanical components, and there are no interactions of variable inertial forces.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Verfahren derart ausgeführt wird, dass der maximal in dem Fluid herrschende Druck 20 bar oder mehr beträgt, insbesondere der Maximaldruck zwischen 20 bar und 100 bar beträgt.It is considered particularly advantageous if the method is carried out in such a way that the maximum pressure prevailing in the fluid is 20 bar or more, in particular the maximum pressure is between 20 bar and 100 bar.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf den Kolben wirkende externe statische Kraft derart gewählt wird, dass der Kolben nach dem Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung zumindest einmal eine Position erreicht, bei der es zu einem Verdampfen zumindest eines Teils des Fluids kommt.In a particularly preferred embodiment it is provided that the external static force acting on the piston is selected in such a way that the piston reaches a position at least once, after the holding device has been transferred from the second position to the first position, in which there is at least evaporation part of the fluid comes.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung bzw. des Verfahrens besteht darin, dass aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung eine Überlastsicherheit gegeben ist, da bei Beaufschlagung des Kolbens mit der externen statischen Kraft derart, dass das Volumen des Hohlraums verkleinert wird, der dann herrschende Druck in dem Fluid maximal ist, das heißt bei einem anschließenden Überführen der Haltevorrichtung von der zweiten Stellung in die erste Stellung der in dem Fluid vorliegende Druck stets kleiner ist als der mittels der externen Kraft in das System eingeprägte Druck.Another advantage of the device or the method is that, due to the structure of the device, there is overload protection, since when the piston is subjected to the external static force in such a way that the volume of the cavity is reduced, the pressure then prevailing in the fluid is maximum, that is, when the holding device is subsequently transferred from the second position to the first position, the pressure present in the fluid is always lower than the pressure impressed in the system by means of the external force.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der Beschreibung der in den Zeichnungen wiedergegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele, ohne hierauf beschränkt zu sein.Further features of the invention emerge from the subclaims, the attached drawings and the description of the preferred exemplary embodiments reproduced in the drawings, without being restricted thereto.

Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Kalibrieren eines Drucksensors, in einem ersten Zustand,
2 die Vorrichtung gemäß 1, in einem zweiten Zustand,
3 die Vorrichtung gemäß 1, in einem dritten Zustand,
4 eine schematische Darstellung der zeitlichen Entwicklung des in dem Fluid herrschenden Drucks bei einer Durchführung des Verfahrens zum Kalibrieren des Drucksensors.

Show it:

1 a schematic structure of a device for calibrating a pressure sensor, in a first state,
2 the device according to 1 , in a second state,
3rd the device according to 1 , in a third state,
4th a schematic representation of the development over time of the pressure prevailing in the fluid when the method for calibrating the pressure sensor is carried out.

FigurenbeschreibungFigure description

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Kalibrieren eines Drucksensors 2. Die Vorrichtung 1 weist einen Zylinder 3 und einen in dem Zylinder 3 in Richtung des Pfeils 10 bewegbar geführten Kolben 4 auf. Zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 4 ist ein Hohlraum zur Aufnahme eines Fluids 5 gebildet, wobei ein Volumen des Hohlraums durch ein Bewegen des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 veränderbar ist. Bei dem in dem Hohlraum angeordneten Fluid 5 handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit.The 1 shows an apparatus 1 for calibrating a pressure sensor 2 . The device 1 has a cylinder 3rd and one in the cylinder 3rd in the direction of the arrow 10 movably guided piston 4th on. Between the cylinder 3rd and the piston 4th is a cavity for receiving a fluid 5 formed, a volume of the cavity by moving the piston 4th relative to the cylinder 3rd is changeable. In the case of the fluid arranged in the cavity 5 it is in particular a liquid.

Der zu kalibrierende Drucksensor 2 ist derart angeordnet, dass dieser einen in dem Fluid 5 herrschenden Druck und/oder eine Druckänderung in dem Fluid erfassen kann. Der Drucksensor 2 ist angrenzend an den Hohlraum angeordnet und in dem Zylinder 3 gelagert.The pressure sensor to be calibrated 2 is arranged such that this one is in the fluid 5 Can detect the prevailing pressure and / or a pressure change in the fluid. The pressure sensor 2 is located adjacent to the cavity and in the cylinder 3rd stored.

Der Kolben 4 ist linear bezüglich des Zylinders 3 bewegbar. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Haltevorrichtung 6, wobei die Haltevorrichtung 6 in einer ersten Stellung ein Bewegen des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 ermöglicht und in einer zweiten Stellung ein Bewegen des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 verhindert. Die Vorrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Messvorrichtung 9 zum Messen einer Position des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3.The piston 4th is linear with respect to the cylinder 3rd moveable. The device further comprises 1 a holding device 6th , the holding device 6th in a first position moving the piston 4th relative to the cylinder 3rd enables and in a second position a movement of the piston 4th relative to the cylinder 3rd prevented. The device 1 also includes a measuring device 9 for measuring a position of the piston 4th relative to the cylinder 3rd .

Die Vorrichtung 1 umfasst Mittel zum Beaufschlagen des Kolbens 4 mit einer externen statischen Kraft, wobei diese Mittel vorliegend als Gewichte 7 ausgebildet sind. Diese Gewichte 7 liegen auf dem Kolben 4 auf, sodass aufgrund der auf die Gewichte 7 und den Kolben 4 wirkenden Gravitationskraft der Kolben 4 unter Verringerung des Volumens des Hohlraums in den Zylinder 3 eingefahren wird. Aufgrund der Verringerung des Volumens des Hohlraums ist der in dem Fluid 5 vorliegende Druck gegenüber einem Umgebungsdruck erhöht. Beim Beaufschlagen des Kolbens 4 mit der externen statischen Kraft befindet sich die Haltevorrichtung 6 in der ersten Stellung, sodass ein Bewegen des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 ermöglicht ist, dementsprechend der Kolben 4 in den Zylinder 3 hineingefahren werden kann. Dieser Zustand ist in der 1 gezeigt.The device 1 comprises means for loading the piston 4th with an external static force, these means present as weights 7th are trained. These weights 7th lie on the piston 4th on, so due to on the weights 7th and the piston 4th acting gravitational force of the piston 4th reducing the volume of the cavity in the cylinder 3rd is retracted. Because of the reduction in volume of the cavity, that is in the fluid 5 present pressure increased compared to an ambient pressure. When pressing the piston 4th with the external static force is the holding device 6th in the first position, causing the piston to move 4th relative to the cylinder 3rd is enabled, accordingly the piston 4th in the cylinder 3rd can be driven in. This state is in the 1 shown.

Nachdem ein thermischer Ausgleich des Fluids 5 mit der Umgebung erfolgt ist, insofern die Temperatur des Fluids 5 der Umgebungstemperatur entspricht, wird die Haltevorrichtung 6 von der ersten Stellung in die zweite Stellung überführt, sodass ein Bewegen des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 verhindert ist. Im Anschluss daran werden die auf den Kolben 4 einwirkenden Gewichte 7 entfernt, sodass die auf den Kolben 4 wirkende externe Kraft entfernt wird. In diesem Zustand wird der Kolben 4 allein aufgrund der sich in der zweiten Stellung befindlichen Haltevorrichtung 6 in seiner Ausgangsposition gehalten.After a thermal equalization of the fluid 5 is done with the environment, insofar as the temperature of the fluid 5 corresponds to the ambient temperature, the holding device 6th transferred from the first position to the second position, so that a movement of the piston 4th relative to the cylinder 3rd is prevented. Following this, the on the piston 4th acting weights 7th removed so that the on the piston 4th acting external force is removed. In this state the piston will 4th solely because of the fact that they are in the second position Holding device 6th held in its starting position.

In dieser Ausgangsposition wird die Position des Kolbens 4 relativ zu dem Zylinder 3 mittels der Messvorrichtung 9 gemessen. In diesem Ausgangszustand wird auch das Ausgangssignal des Drucksensors 2 erfasst. Diesen Zustand zeigt die 2.The position of the piston is in this starting position 4th relative to the cylinder 3rd by means of the measuring device 9 measured. The output signal of the pressure sensor is also in this initial state 2 detected. This is what the 2 .

Im Anschluss daran wird die Haltevorrichtung 6 von der zweiten Stellung in die erste Stellung überführt, wobei bei der anschließenden periodischen Bewegung des Kolbens sowohl die Position des Kolbens 4 als auch das Signal des Drucksensors 2 zeitaufgelöst erfasst werden. Den Zustand bei in erster Stellung befindlicher Haltevorrichtung zeigt 3.Following this, the holding device 6th transferred from the second position to the first position, with the subsequent periodic movement of the piston both the position of the piston 4th as well as the signal from the pressure sensor 2 can be recorded time-resolved. Shows the state when the holding device is in the first position 3rd .

Mittels der gemessenen Position des Kolbens 4 und eines bekannten Kompressionsmoduls des Fluids 5 wird der in dem Fluid 5 bei der entsprechenden Position des Kolbens herrschende Druck errechnet, wobei der errechnete Druck mit dem von dem Drucksensor 2 bei der entsprechenden Position des Kolbens 4 ausgegebenen Signal verglichen wird und aus dem Vergleich ein entsprechender Kalibrierfaktor ermittelt wird. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 1 eine Auswerteelektronik 8 auf, welche dazu eingerichtet ist, mittels der gemessenen Position des Kolbens 4 und eines bekannten Kompressionsmoduls des Fluids 5 einen in dem Fluid 5 herrschenden Druck bei der gemessenen Position des Kolbens 4 zu ermitteln. Vorzugsweise ist die Auswerteelektronik 8 dazu eingerichtet ist, aus dem errechneten Druck und dem von dem Drucksensor 2 bei der entsprechenden Position des Kolbens 4 ausgegebenen Signal den entsprechenden Kalibrierfaktor zu ermitteln.By means of the measured position of the piston 4th and a known compression module of the fluid 5 becomes the one in the fluid 5 the pressure prevailing at the corresponding position of the piston is calculated, the calculated pressure being compared with that of the pressure sensor 2 at the corresponding position of the piston 4th output signal is compared and a corresponding calibration factor is determined from the comparison. To this end, the device 1 an evaluation electronics 8th which is set up for this purpose by means of the measured position of the piston 4th and a known compression module of the fluid 5 one in the fluid 5 pressure prevailing at the measured position of the piston 4th to determine. The evaluation electronics are preferred 8th is set up for this, from the calculated pressure and that of the pressure sensor 2 at the corresponding position of the piston 4th output signal to determine the corresponding calibration factor.

Die 4 zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung des in dem Fluid 5 herrschenden Drucks in dem in der 3 gezeigten Zustand der Vorrichtung, in welchem eine quasi freie Bewegung des Kolbens 4 erfolgt. Die Position des Kolbens 4 und somit der in dem Fluid 5 herrschende Druck ändern sich periodisch, wobei die Amplitude der Druckimpulse 11 abnehmend ist aufgrund von Reibungskräften zwischen Kolben 4 und Zylinder 3 und innerer Reibung des Fluids 5. Der zeitliche Verlauf des Drucks ist ähnlich dem einer gedämpften Schwingung. Im niedrigen Druckbereich fällt der Druck über einen gewissen Zeitbereich auf einen konstanten Wert, somit einen Plateauwert 12, ab, wobei dieser Wert dem Dampfdruck der verwendeten Flüssigkeit bei der entsprechenden Temperatur entspricht, da es bei dem Bewegen des Kolbens 4 zu einer Volumenvergrößerung des Hohlraums unter Verringerung des Drucks des Fluids 5 zu einem Zustand kommt, in dem zumindest ein Teil der Flüssigkeit verdampft. Die Halbwertsbreite eines Druckimpulses beträgt etwa 1 ms. Bei langen Zeiten nähert der sich in dem Fluid 5 herrschende Druck dem Umgebungsdruck an.The 4th shows schematically the development over time of the in the fluid 5 pressure prevailing in the 3rd shown state of the device, in which a quasi free movement of the piston 4th he follows. The position of the piston 4th and thus that in the fluid 5 prevailing pressure change periodically, with the amplitude of the pressure pulses 11 is decreasing due to frictional forces between pistons 4th and cylinder 3rd and internal friction of the fluid 5 . The time course of the pressure is similar to that of a damped oscillation. In the low pressure range, the pressure falls to a constant value over a certain period of time, thus a plateau value 12th , from, whereby this value corresponds to the vapor pressure of the liquid used at the corresponding temperature, since it is when the piston is moved 4th to an increase in volume of the cavity while reducing the pressure of the fluid 5 comes to a state in which at least a part of the liquid evaporates. The half-width of a pressure pulse is about 1 ms. At long times, the one in the fluid approaches 5 prevailing pressure to the ambient pressure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED 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 was 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 PatentliteraturPatent literature cited

WO 2018/054540 A1 [0005, 0010]

Claims

Device (1) for calibrating a pressure sensor (2), the device (1) having: - a cylinder (3), - A piston (4) movably guided in the cylinder (3), a cavity for receiving a fluid (5) being formed between the cylinder (3) and the piston (4), a volume of the cavity being formed by moving the piston (4) is changeable relative to the cylinder (3), wherein the pressure sensor (2) can be arranged in such a way that a pressure prevailing in the fluid (5) and / or a pressure change in the fluid (5) is detected by the pressure sensor (2) is detectable, - A holding device (6), wherein the holding device (6) enables the piston (4) to be moved relative to the cylinder (3) in a first position and enables the piston (4) to be moved relative to the cylinder (3) in a second position ) prevents - A measuring device (9) for measuring a position of the piston (4) relative to the cylinder (3).

Device according to Claim 1 wherein the pressure sensor (2) can be arranged in the cavity or adjacent to the cavity.

Device according to one of the Claims 1 or 2 , wherein the device (1) has means for applying an external static force to the piston (4).

Device according to Claim 3 , wherein the means comprises weights (7) and / or comprises an actuator.

Device according to one of the Claims 3 or 4th , wherein the device (1) has a device for measuring the force with which the piston (4) is acted upon.

Device according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the device comprises evaluation electronics (8) which are set up to use the measured position and / or positions of the piston (4) and a known compression module of the fluid (5) to determine a pressure prevailing in the fluid (5) during the measured To determine the position of the piston (4) and / or a change in pressure in the fluid (5) between the positions of the piston (4).

A method for calibrating a pressure sensor (2), comprising the following method steps: - providing a device (1) according to one of the Claims 1 to 6th - Introducing the fluid (5) into the cavity, - Arranging the pressure sensor (2) to be calibrated in such a way that a pressure prevailing in the fluid (5) and / or a pressure change in the fluid (5) is detected by the pressure sensor (2) can be detected, - applying an external static force to the piston (4), the holding device (6) being in the first position, - transferring the holding device (6) from the first position to the second position, - removing the on the Piston (4) acting external static force, - transferring the holding device (6) from the second position to the first position, - measuring the position of the piston (4) relative to the cylinder (3), - detecting a signal representing the pressure of the Pressure sensor (2).

Procedure according to Claim 7 wherein the piston (4) is free of external forces acting on the piston (4) after the holding device (6) has been transferred from the second position to the first position.

Procedure according to Claim 7 or 8th , after the external static force has been applied to the piston (4), thermal compensation of the fluid (5) is made possible and the holding device (6) is only transferred from the first position to the second position after the thermal compensation.

Method according to one of the Claims 7 to 9 wherein the position of the piston changes periodically after the holding device has been transferred from the second position to the first position.

Method according to one of the Claims 7 to 10 , wherein an initial position of the piston and an output signal of the pressure sensor are detected, wherein the initial position is the position of the piston before the transfer of the holding device from the second position to the first position after the external static force has been applied to the piston, and the output signal is the signal of the pressure sensor before transferring the holding device from the second position to the first position.

Method according to one of the Claims 7 to 11 , the measurement of the position of the piston (4) and / or the detection of the signal from the pressure sensor (2) taking place in a time-resolved manner.

Method according to one of the Claims 7 to 12th , whereby the pressure and / or a pressure change prevailing in the fluid (5) is calculated by means of the measured position of the piston (4) and a compression module of the fluid (5), the calculated pressure and / or the calculated pressure change with the signal of the Pressure sensor (2) is compared and a corresponding calibration factor is determined from the comparison.

Method according to one of the Claims 7 to 13th , the external one acting on the piston (4) static force is selected such that the piston (4) after transferring the holding device (6) from the second position to the first position at least once reaches a position in which at least part of the fluid (5) evaporates