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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung und ein
Kalibrierverfahren für
Differenzdrucksensoren, insbesondere bei hohen statischen Drücken. Zur
Kalibrierung werden nach dem Stand der Technik die beiden Druckeingänge eines Differenzdrücksensors
und eines parallel geschalteten Referenzgerätes mit statischen Drücken aus
unterschiedlichen Druckquellen beaufschlagt. Hierbei erweist es
sich insbesondere bei großen
statischen Drücken
von mehreren 100 bar, als sehr schwierig, kleine Druckdifferenzen
im Bereich von 10 bis 100 mbar hinreichend stabil vorzugeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Kalibrationsvorrichtung und ein entsprechendes Kalibrationsverfahren
bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
1 und die Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
7.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Kalibrierung oder Kompensieren eines Differenzdruckaufnehmers
mit einem ersten Druckeingang Ep1 und einem
zweiten Druckeingang Ep2 zum Erfassen einer Druckdifferenz
dp = p1 – p2 bei
hohen Drücken
p1, p2 umfasst:
Anschließen
der Druckeingänge
Ep1 und Ep2 an einen
ersten Druckausgang Ap1 und einen zweiten
Druckausgang Ap2 eines hydraulischen Systems;
Beaufschlagen des hydraulischen Systems mit einem ersten statischen
Druck pstat, welcher an dem ersten Druckausgang
Ap1 und and dem zweiten Druckausgang Ap2 anliegt, wobei das hydraulische System
hinsichtlich der aktuell wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen
dem ersten Druckausgang Ap1 und dem zweiten
Druckausgang Ap2 symmetrisch ausgelegt ist,
wozu der erste Druckausgang mit dem zweiten Druckausgang kommuniziert;
Kalibrieren des Nullpunkts dp = 0 bei pstat;
Erzeugen
eines Differenzdrucks dp = (pstat + dp1) – (pstat + dp2) durch
Brechen der Symmetrie des hydraulischen Systems hinsichtlich der
aktuell wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen dem ersten Druckausgang
Ap1 und dem zweiten Druckausgang Ap2, so daß am
ersten Druckausgang der Druck pstat + dp1 und am zweiten Druckausgang der Druck pstat + dp2 anliegt;
und Kalibrieren des Wertes Differenzdrucks dp.
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Die
Abweichungen dp1 und dp2 können allgemein
gleichsinnige positive oder negative Vorzeichen oder entgegengesetzte
Vorzeichen haben. Die Abweichungen dp1 und
dp2 sind wesentlich geringer als der statische
Druck pstat. Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere
dann beachtlich, wenn geringe Differenzdruckwerte dp bei großen statischen
Drücken
pstat zu kalibrieren bzw. zu kompensieren
sind, d.h., wenn die Abweichungen dp1 und
dp2 beispielsweise weniger als 1 %, weiterhin
weniger als 0,1 % und insbesondere weniger als 0.01 % des statischen
Drucks pstat betragen.
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Das
hydraulische System kann nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung
ein erstes Teilsystem und ein zweites Teilsystem umfassen, wobei der
erste Druckausgang Ap1 in dem ersten Teilsystem
und der zweite Druckausgang Ap2 in dem zweiten
Teilsystem angeordnet ist, die Symmetrie des hydraulischen Systems
hinsichtlich der aktuell wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen
dem ersten Druckausgang Ap1 und dem zweiten
Druckausgang Ap2 dadurch gewährleistet
ist, daß das
erste Teilsystem mit dem zweiten Teilsystem kommuniziert, und die
Symmetrie dadurch gebrochen wird, daß die Kommunikation zwischen
dem ersten und dem zweiten Teilsystem unterbrochen wird und der statische
Druck eines Teilsystems verändert
wird, nachdem die Kommunikation unterbrochen wurde.
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Zu
diesem Zweck können
nach einer ersten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung
das erste Teilsystem eine erstes abgeschlossenes Volumen und das
zweite Teilsystem ein zweites abgeschlossenes Volumen umfassen,
wobei zumindest ein Teilsystem eine Temperiervorrichtung aufweist,
und zum Brechen der Symmetrie die Temperatur des hydraulischen Mediums
in einem Teilsystem mittels der Temperiervorrichtung verändert wird.
Die Temperiervorrichtung kann vorzugsweise heizen und/oder kühlen.
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In
einer zweiten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung
können
das erste Teilsystem eine erstes Volumen und das zweite Teilsystem
ein zweites Volumen umfassen, wobei zumindest eines der Volumina
variabel ist, und wobei zum Brechen der Symmetrie nach dem Trennen
der Kommunikation zwischen den Teilsystemen eines der Volumina verändert wird.
Hierzu kann eines der Volumina beispielsweise einen balgförmigen Abschnitt
oder einen hydraulischen Zylinder mit einem Kolben umfassen, oder
es kann ein Verdrängungskörper in
ein Volumen eingebracht werden.
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Nach
einer dritten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung der Erfindung
können
das erste Teilsystem eine erstes Volumen und das zweite Teilsystem
ein zweites Volumen umfassen, wobei zumindest eines der Volumina
durch ein Ventil gegenüber einem
Zusatzvolumen abgeschlossen ist, und wobei zum Brechen der Symmetrie
nach dem Trennen der Kommunikation zwischen den Teilsystemen zum Brechen
der Symmetrie durch Öffnen
des Ventils eine Fließverbindung
zwischen dem abgeschlossenen Volumen und dem Zusatzvolumen hergestellt wird,
um den Druck in dem Teilsystem abzusenken.
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Nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das hydraulische System
eine in sich geschlossene Rohrleitungsschleife, die über einen Druckkanal
mit einem statischen Druck pstat beaufschlagbar
ist, wobei der erste Druckausgang Ap1 und der
zweite Druckausgang Ap2 an die Rohrleitungsschleife
mit einem durchflußabhängigen Wirkdruckgeber
angeschlossen sind, die Symmetrie des hydraulischen Systems hinsichtlich
der aktuell wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen dem ersten Druckausgang
Ap1 und dem zweiten Druckausgang Ap2 dadurch gewährleistet ist, daß kein Volumenstrom
durch den Wirkdruckgeber erfolgt, und das zum Brechen der Symmetrie
ein Volumenstrom des hydraulischen Mediums in der Rohrleitungsschleife mit
einer Pumpe generiert wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Kalibrierung eines Differenzdruckaufnehmers mit einem ersten
Druckeingang Ep1 und einem zweiten Druckeingang
Ep2 zum Erfassen einer Druckdifferenz dp
= p1 – p2 bei hohen Drücken p1,
p2 umfasst
ein hydraulisches System
mit einem ersten Druckausgang Ap1 und einem
zweiten Druckausgang Ap2 zum Anschluß der Druckeingänge Ep1 und Ep2;
Mittel
zum Einstellen verschiedener Konfigurationen des hydraulischen Systems;
und
Mittel zum Beaufschlagen des hydraulischen Systems mit
einem ersten statischen Druck pstat,
wobei
in einer ersten Konfiguration das hydraulische System hinsichtlich
der wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen dem ersten Druckausgang Ap1 und dem zweiten Druckausgang Ap2 symmetrisch ausgelegt ist, und der erste
Druckausgang mit dem zweiten Druckausgang kommuniziert; so daß der erste
statische Druck pstat an dem ersten Druckausgang
Ap1 und and dem zweiten Druckausgang Ap2 anliegt; und
wobei in einer zweiten
Konfiguration die Symmetrie des hydraulischen Systems hinsichtlich
der aktuell wirksamen hydraulischen Kenngrößen zwischen dem ersten Druckausgang
Ap1 und dem zweiten Druckausgang Ap2 gebrochen ist, so daß am ersten Druckausgang der
Druck pstat + dp1 und
am zweiten Druckausgang der Druck pstat+
dp2 anliegt.
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Ein
hydraulisches System im Sinne der Erfindung kann eine beliebige
Kombination von beispielsweise Leitungen, Kammern, Pumpen, Druckwaagen, und
Ventilen sein, welche die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Vorrichtung weiterhin ein Referenzmeßgerät zum Erfassen der Druckdifferenz
zwischen dem ersten Druckausgang und dem zweiten Druckausgang.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt das hydraulische System
ein erstes Teilsystem mit einem ersten Teilvolumen und ein zweites
Teilsystem mit einem zweiten Teilvolumen, wobei das erste Teilsystem
den ersten Druckausgang Ap1 aufweist, und
das zweite Teilsystem den Druckausgang Ap2 aufweist,
wobei die Mittel zum auswählen
der verschiedenen Konfigurationen ein Ventil zwischen dem ersten
und dem zweiten Teilsystem umfassen, und wobei ferner das Ventil
in der ersten Konfiguration geöffnet
und in der zweiten Konfiguration geschlossen ist. Zudem umfaßt zumindest ein
Teilsystem Mittel zum Verändern
einer hydraulisch wirksamen Kenngröße des Teilsystems.
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In
einer ersten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung umfassen die
Mittel zum Verändern
einer hydraulisch wirksamen Kenngröße ein Temperierelement zum
verändern,
insbesondere ein Heizelement zum Erhöhen, der Temperatur des hydraulischen
Mediums in einem Teilsystem.
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In
einer zweiten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung umfassen die
Mittel zum Verändern einer
hydraulisch wirksamen Kenngröße eine
hydraulische Kammer mit einem variablen Volumen, beispielsweise
einen Balg, einen hydraulischen Zylinder mit einem Kolben oder eine
Kammer, in welche beispielsweise ein Bolzen bzw. eine Schraube als Verdrängungskörper eingebracht
werden kann.
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In
einer dritten Weiterbildung der ersten Ausgestaltung umfassen die
Mittel zum Verändern
einer hydraulisch wirksamen Kenngröße mindestens ein Ventil, vorzugsweise
ein Dosierventil, welches mit einem der Teilvolumina kommuniziert,
um die Menge des hydraulischen Mediums in dem Teilvolumen zu verändern.
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Nach
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das hydraulische System
eine in sich geschlossene Rohrleitungsschleife, in der eine Pumpe
zur Erzeugung eines Durchflusses und ein Wirkdruckgeber angeordnet
sind, und einen Druckkanal, über
den die Rohrleitungsschleife mit einem statischen Druck pstat beaufschlagbar ist, wobei der erste Druckausgang
Ap1 und der zweite Druckausgang Ap2 an den Wirkdruckgeber angeschlossen sind,
wobei in der ersten Konfiguration des hydraulischen Systems die
Pumpe abgeschaltet ist, so daß kein
Volumenstrom fließt,
und in der zweiten Konfiguration des hydraulischen Systems die Pumpe
in Betrieb ist, um zwischen dem ersten Druckausgang Ap1 und
dem zweiten Druckausgang Ap2 einen vom Volumenstrom abhängigen Differenzdruck
zu generieren.
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Selbstverständlich können alle
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
zur Überwachung
des statischen Drucks einen Absolutdrucksensor aufweisen. Ggf. können zur Überwachung
weiterer Randbedingungen beispielsweise Temperatursensoren vorgesehen
sein.
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Zudem
ist es zweckmäßig, wenn
die Ausgänge
des Referenzdifferenzdrucksensors und des Prüflings sowie ggf. des Absolutdrucksensors
und der optionalen Temperatursensoren alle einer zentralen Rechnereinheit
zur Auswertung und Steuerung der Kalibration bzw. Kompensation zugeführt werden.
Gleichermaßen
ist es vorteilhaft, wenn der Prüfling
einen Programmiereingang aufweist, der mit der zentralen Rechnereinheit
verbunden ist, damit die ermittelten druckabhängigen Kompensationsparameter
für den
Prüfling
automatisch abgespeichert werden können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
sind beispielsweise geeignet für
Kalibrationen und Kompensationen von Differenzdrucksensoren für Differenzdrücke von
weniger als 1 bar bei statischen Drücken von mehreren 100 bar.
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Wenn
bei der Definition der Erfindung in den Ansprüchen von Kalibration die Rede
ist, so ist der Begriff weit auszulegen. Der Begriff bezeichnet
einerseits die Kalibration im engen Sinne, d.h. die Überprüfung eines
Differenzdruckmessgerätes,
ob es hinreichend genau mißt,
und andererseits auch die Kompensation, d.h. die Ermittlung und
Einstellung der Antwortfunktion eines Differenzdruckmessgerätes in Abhängigkeit,
von externen Störgrößen, wie z.B.
dem statischen Druck oder der Temperatur.
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Weitere
Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und
der Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigt:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit zwei hydraulischen Teilsystemen, wobei zum Brechen der Symmetrie
die Temperatur in einem hydraulischen Teilsystem veränderbar
ist;
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit zwei hydraulischen Teilsystemen, wobei zum Brechen der Symmetrie
in beiden hydraulischen Teilsystemen jeweils die Menge des hydraulischen
Mediums veränderbar ist;
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3:
ein drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer hydraulischen Ringleitung und einem Wirkdruckgeber, wobei zum
Brechen der Symmetrie ein Durchfluß in der Ringleitung generiert
werden kann.
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Die
in 1 gezeigte Kalibriervorrichtung umfaßt ein hydraulisches
System 10 mit einem ersten Teilsystem welches eine erste
Kammer 11 mit einem ersten Teilvolumen und ein zweite Teilsystem welches
eine zweite Kammer 12 mit einem zweiten Teilvolumen aufweist.
Die Kammern sind vorzugsweise aus hinreichend steifem Material,
beispielsweise Stahl gefertigt, so daß Verformungen unter Druckbelastung
vernachlässigbar
sind. Die Kammern sind mit einer Wärmeisolation 13 umgeben,
die beispielsweise durch einen evakuierten Raum oder ein anorganisches
oder organisches wärmeisolierendes
Material wie Polystyrol oder Polyurethan realisiert sein kann. Die
Kammern 11, 12, des hydraulischen Systems 10 sind
mittels einer Druckquelle 17, beispielsweise einer Spindelpresse
oder eines Druckspeichers, mit einem statischen Druck beaufschlagbar, wobei
die Druckübertragung
zwischen der Druckquelle 17 und den Kammern zunächst durch
ein Druckquellenventil 18 in einem Hauptstrang und nach
einer Verzweigung der Druckzufuhr zu den Kammern jeweils mit einem
Kommunikationsventil 19 unterbrochen werden kann. Bei Öffnung der
beiden Kommunikationsventile 19 ist die Komunikation zwischen
den Kammern möglich.
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In
der ersten Kammer 11 ist ein Heizelement 14 angeordnet
mit dem die Temperatur des hydraulischen Mediums in der ersten Kammer
verändert
werden kann. An der ersten Kammer 11 ist ein erster Druckausgang 15 und
an der zweiten Kammer 12 ist ein zweiter Druckausgang 16 angeschlossen,
wobei zwischen den beiden Druckausgängen ein Referenzdifferenzdruckaufnehmer 20 angeschlossen
ist, zu dem parallel ein zu prüfender
Differenzdruckaufnehmer 21 (Prüfling) angeschlossen werden
kann.
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Zur
Kalibration eines Prüflings
werden die Kammern 11 und 12 zunächst bei
geöffnetem
Druckquellenventil 18 und geöffneten Kommunikationsventilen 19 mittels
der Druckquelle 17 mit einem ersten statischen Druck pstat gleichmäßig beaufschlagt. Dann wird
das Druckquellenventil 18 geschlossen, und der Nullpunkt
des Differenzdrucks bei dem gegebenem statischen Druck kalibriert.
Dann werden die Kommunikationsventile 19 geschlossen, um
die Kommunikation zwischen den Kammern 11 und 12 zu
unterbrechen. Durch Heizen des hydraulischen Mediums in der ersten
Kammer 11 mittels der Heizvorrichtung 14 kann
nun der Druck p1 in der ersten Kammer kontrolliert
erhöht
werden, so daß sich
zwischen dem ersten Druckausgang 15 und dem zweiten Druckausgang 16 ein
stabiler Differenzdruck dp = p1 – p2 einstellt. Der tatsächlich anliegende Differenzdruck
wird mittels des Referenzdifferenzdruckaufnehmers 20 überwacht,
und der Prüfling 21 wird
bezüglich
des Referenzdifferenzdruckaufnehmers 20 kalibriert bzw.
kompensiert. Ggf. kann der beschriebene Vorgang bei verschiedenen
statischen Drücken pstat durchgeführt werden. Hierzu wird nach
Abschluß der
Kalibration bzw. Kompensation bei einem ersten statischen Druck
zunächst
die Kommunikation zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer durch öffnen der
Kommunikationsventile 19 wieder hergestellt. Dann werden
die Kammern nach dem Öffnen
des Druckquellenventils 18 mit einem zweiten statischen
Druck beaufschlagt und die Kompensation des Prüflings für den zweiten statischen Druck
kann nach dem zuvor beschriebenen Ablauf erfolgen.
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Mittel zur
Veränderung
einer Druckdifferenz bei gegebenem statischen Druck. Ansonsten ist
der Aufbau identisch zu dem der ersten Vorrichtung, weshalb für die identischen
Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, und für deren
Beschreibung auf das erste Ausführungsbeispiel
verwiesen wird.
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Die
erste Kammer 31 des hydraulischen Systems 31 und
die zweite Kammer des Hydraulischen Systems 32 verfügen bei
der zweiten Ausgestaltung jeweils über eine Druckableitung in
der ein erstes bzw. zweites Dosierventil 33,34 angeordnet
ist. Die Druckableitungen münden
in einem ersten bzw. zweiten Auffangbehälter 35, 36.
Zum Erzeugen einer geringen Druckdifferenz bei einem vorgegebenen
pstat wird aus einer der Kammern durch ein
Dosierventil etwas hydraulisches Medium abgelassen, bis sich der
gewünschte
Druck einstellt. Die Vorrichtung erweist sich insbesondere dann
als geeignet, wenn im Meßbetrieb
das Vorzeichen der Druckdifferenz wechseln soll und daher auch bei
der Kalibration ein Vorzeichenwechsel realisiert werden muß.
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3 zeigt
schließlich
eine Vorrichtung mit einer Ringrohrleitung 50 in der eine
Zahnradpumpe 50 zur Erzeugung eines Durchflusses angeordnet
ist. Die Ringrohrleitung weist weiterhin einen Wirkdruckgeber, beispielsweise
mit einer Blende oder einer Venturidüse, auf. Zur Kalibrierung bei
einem statischen Druck pstat wird zunächst die
Ringrohrleitung 50 mittels einer Spindelpresse 17 mit
dem Druck pstat beaufschlagt. Wenn der erforderliche
statische Druck erreicht ist, wird das Druckquellenventil 18 geschlossen.
Solange kein Volumenstrom in der Ringrohrleitung 50 fließt liegt
an den Druckausgängen 15 und 16 des
Wirkdruckgebers 54 nur der Druck pstat an.
In diesem Zustand kann der Nullpunkt des Prüflings 21 kalibriert
bzw. kompensiert werden. Zur Erzeugung einer Druckdifferenz an den
Ausgängen
des Wirkdruckgebers 54 wird mittels der Zahnradpumpe der erforderliche
Volumenstrom durch den Wirkdruckgeber generiert.
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Die
vorstehenden Beispiele haben ausschließlich beschreibenden und keinesfalls
beschränkenden
Charakter. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung liegen im Bereich
des fachmännischen Könnens.