PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
^ H. KINKELDEY
W. STOCKMAIR
DR-ΙΝα - A.6 ICALTECH
K. SCHUMANN
# DR RER NAT OPL-PHVS
P. H. JAKOB
OPL-ING
G. BEZOLD
DR RERNAT-I
8 MÜNCHEN
MAXIMILIANSTRASSE
Vorrichtung zum Messen·der Höhe der Leckverluste
bei einem Fluiddurchlass
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Höhe der Leckverluste bei einem Fluiddurchlass. Die erfindungsgemässe
Vorrichtung kann bei Kraftstoffeinspritzanlagen für Kraftfahrzeugmaschinen,
bei Klimaanlagen, bei hydraulischen Kraftanlagen und ähnlichem verwandt werden.
Es ist bekannt, die Leckverluste beispielsweise einer Hochdruckversorgungsleitung
einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine unter Verwendung Bourdon'sehen Röhre zu
messen. Eine Fluiddruckquelle wird an die Leitung angeschlossen und danach wird die Leitung mittels eines Ventils isoliert.
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Die erforderliche Zeit für einen Druckabfall in der Leitung von einem Wert auf einen niedrigeren Wert wird gemessen. Dieser
Wert entspricht der Höhe der Leckverluste. Je höher die Leckverluste sind, umso kürzer ist die Zeit, die für einen
Druckabfall in der Leitung von einem hohen Wert auf einen niedrigeren Wert erforderlich ist.
Dieses Verfahren der Messung der Höhe der Leckverluste kann jedoch nicht als vollständig zufriedenstellend angesehen
werden. Eine Bourdon'sehe Röhre liefert im allgemeinen
eine instabile Anzeige und ist extrem empfindlich für Temperaturschwankungen, die die Anzeige verändern. Obwohl
es mö7lich ist, den Ausgangsmesswert einer Bourdon'sehen
Röhre in ein elektrisches Signal umzuwandeln, sind die elektrischen Bauteile, die für eine derartige Umwandlung
erforderlich sind, gleichfalls temperaturempfindlich.
Der schwerwiegendste Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht wahrscheinlich darin, dass dieses Verfahren grundsätzlich
ungenau ist und dass die Messergebnisse sich in Abhängigkeit von der Person, die die Messung durchführt,
beträchtlich ändern können. Es ist gleichfalls schwierig, den Messvorgang zu normen und das Personal in geeigneter .
Weise zu trainieren, die Messungen durchzuführen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Messen der Höhe der Leckverluste bei einem Fluiddurchlass weist eine Drucksensoreinrichtung,
die mit dem Durchlass verbunden ist.- und ein elektrisches Signal erzeugt, das dem Fluiddruck im Durchlass
entspricht, eine Druckquelle, die einen Fluiddruck mit einem oberen vorbestimmten Wert an den Durchlass legt,eine
Ventileinrichtung, die die Druckquelle vom Durchlass trennt, wenn der Druck den oberen vorbestimmten Wert erreicht, eine
Komparatoreinrichtung, die auf die Sensoreinrichtung anspricht und das Sensorsignal mit einem elektrischen Bezugssignal
vergleicht, das einem unteren vorbestimmten Wert des Fluid-
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druckes im Durchlass entspricht, und eine Zeitinesseinrichtung auf, die auf die Komparatoreinrichtung anspricht und die
Zeitdauer misst, die das Sensorsignal braucht, um nach dem Abtrennen der Druckquelle vom Durchlass durch die Ventileinrichtung
gleich dem Bezugssignal zu werden.
Erfindungsgemäss wird somit ein Druckfluiddurchlass beispielsweise
eine Hochdruckkraftstoffleitung einer Kraftstoffeinspritzanlage unter einen Druck auf einem oberen vorbestimmten
Wert gesetzt. Anschliessend wird der Durchlass isoliert und wird die Zeit gemessen, die der Druck braucht,
um auf einen unteren vorbestimmten Wert abzufallen. Je grosser die Leckverluste sind, umso kürzer ist die gemessene
Zeit. Eine Alarmeinrichtung wird ausgelöst, wenn die gemessene Zeitspanne kürzer als eine vorbestimmte Zeitspanne
ist.
Ziel der Erfindung ist somit eine Lecksensorvorrichtung, die die Höhe der Leckverluste bei einem Fluiddurchlass
zuverlässig und genau misst.
Durch die Erfindung soll insbesondere eine Lecksensorvorrichtung geliefert werden, die eine wirksame und genaue
Anzeige liefert, die durch Fehler der Bedienungsperson nicht beeinflussbar ist.
Durch die Erfindung soll weiterhin eine allgemein verbesserte Lecksensorvorrichtung für einen Fluiddurchlass
geliefert werden.
Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht darin, dass ein Druckfluiddurchlass beispielsweise eine
Hochdruckkraftstoffleitung einer Kraftstoffeinspritzanlage unter einen Druck auf einem oberen vorbestimmten Wert gesetzt
wird. Anschliessend wird der Durchlass isoliert und wird die Zeitspanne gemessen, die der Druck braucht, um
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auf einen unteren vorbestimmten Wert abzufallen. Je höher
die Leckverluste sind, umso kürzer ist die gemessene Zeitspanne. Eine Alarmeinrichtung wird ausgelöst, wenn die
gemessene Zeitspanne kürzer als eine vorbestimmte Zeitspanne ist.
Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Vorrichtung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Lecksensorvorrichtung.
Fig. 2 zeigen in grafischen Darstellungen die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen
Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt in einem detailliertem Blockschaltbild den wesentlichen Teil eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Obwohl die erfindungsgemässe Vorrichtung in einer Vielzahl verschiedener Ausbildungsformen vorliegen kann, was von der
Umgebung und Erfordernissen der Benutzung abhängt, wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben,
das bei Untersuchungen und während f1"^ Benutzung sich als
ausserordentlich zufriedenstellend herausgestellt hat.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel 11 der erfindungsgemässen
Vorrichtung weist eine Druckfluidquelle auf. In Abhängigkeit von der Anwendung kann die Quelle 12.'
Luft mit einem Überdruck, Luft mit einem Unterdruck, ein unter Druck stehendes Kühlfluid, ein unter Druck stehendes
hydraulisches Fluid oder öl, unter Druck stehenden Kraftstoff oder ähnliches liefern. Die Quelle 12 steht über ein elektrisch
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gesteuertes Ventil 13 mit einem Durchlass 14 in Verbindung, dessen Leckverluste gemessen werden sollen. Ein Kraftstoffeinspritzer 15 steht in der dargestellten Weise mit dem
Durchlass 14 in Verbindung. Der Kraftstoffeinspritzer 15
spritzt von einer nicht dargestellten Pumpe über den Durchlass 14 zugeführten Kraftstoff in eine nicht dargestellte
Maschine ein. Zum Messen der Leckverluste des Durchlasses 14 wird die Pumpe abgeschaltet und vorzugsweise vom Durchlass
14 abgetrennt. Bei einer derartigen Anwendung liefert die Quelle 12 Kraftstoff unter einem hohen Druck in den Durchlass
1.4.
Erfindungsgemäss steht ein Drucksensor 16 mit dem Durchlass
14 in Verbindung, um die Höhe des Druckes im Durchlass 14 zu messen. Der Sensor 16 weist vorzugsweise eine elektrisch
leitende Membran auf, die relativ zu einer anderen elektrisch leitenden Membran in einem Ausmass beweglich ist, das dem
Fluiddruck im Durchlass,14 entspricht. Die elektrische Kapazität zwischen den beiden Membranen ändert sich als
Funktion ihres Abstandes, der seinerseits eine Funktion des Druckes im Durchlass 14 ist. Der Sensor 16 ist so aufgebaut,
dass er einen elektrischen Strom liefert, der dem Druck im Durchlass 14 entspricht und vorzugsweise proportional zum
Druck im Durchlass 14 ist. Ein Sensor, der nach diesem Prinzip arbeitet und als Sensor 16 verwandt werden kann, wird von
Ohkura Electric Company, Ltd., Japan unter der Bezeichnung ALPHALINE Model 1151GP hergestellt. Dieser spezielle Sensor
erzeugt bei Eingangsdrücken im Bereich von 0 bis 127 mmH20 einen
Ausgangsstrom im Bereich von 4 bis 20 mA. Der Bereich der Membranbewegung dieses Sensors liegt zwischen 0 und 0,1 mm.
Das Ausgangssignal des Sensors 16 liegt an einem Stromspannungswandler
17,der eine dem Eingangsstrom proportionale Ausgangsspannung
erzeugt. Diese Spannung entspricht dem Druck im Durchlass 14.
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Das Ausgangssignal des Stromspannungswandlers 17 liegt an einem Analog-Digital-Wandler 18, der ein elektrisches digitales
Sensorsignal erzeugt, das aus einer Anzahl paralleler Bits besteht und dem Druck im Durchlass 14 entspricht. Dieses
digitale Signal liegt an einem Eingang eines Digitalkomparators 19.
Der Komparator 19 ist mit einer Bezugs- oder Steuereinheit 21 verbunden, die einen Ausgang aufweist, der zur Steuerung
am Ventil 13 liegt. Die Ausgänge des !Comparators 19 und
der Bezugseinheit 21 sind mit einer Zeitmesseinrichtung verbunden. Der Ausgang der Zeitmesseinrichtung 22 ist mit
einem Eingang einer Anzeigeeinheit 23 verbunden. Der Ausgang der Anzeigeeinheit 23 liegt an einer Alarmeinrichtung 24.
Während des Betriebes wird das Ventil 13 durch die Bezugseinheit 21 geöffnet, wodurch der Durchlass 14 einem hohen
Fluiddruck ausgesetzt wird. Die Bezugseinheit 21 legt ein digitales Hochdrucksignal an den Komparator 19, das einem
hohen vorbestimmten Druck P* entspricht. Wenn der gemessene
oder wahrgenommene Druck gleich dem Druck P1 ist, gibt der
Komparator 19 ein erstes Ausgangssignal an die Bezugseinheit 21 ab, die daraufhin das Ventil 13 schliesst. Dadurch wird
der Durchlass 14 gegenüber der Quelle 12 und gegenüber der
übrigen Umgebung ausser gegenüber den Leckwegen isoliert.
Die Bezugseinheit 21 kann so aufgebaut sein, dass sie das Ventil 13 in einer oder einer anderen Weise öffnet. Die
erste Möglichkeit besteht darin, am Anfang die Quelle 12 mit dem Durchlass 14 zu verbinden. Der Druck im Durchlass
wird nicht sofort, sondern über eine gewisse, jedoch sehr kurze Zeitspanne auf den Druck der Quelle 12 ansteigen.
Dann wird der Komparator 19 das erste Ausgangssignal erzeugen,
wenn der Druck im Durchlass 14 soweit angestiegen ist, dass er gleich dem Druck P1 geworden ist. Zu diesem Zeitpunkt
wird die Bezugseinheit 21 das Ventil 13 schliessen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Ventil 13 die Quelle 12 für eine derartige Zeitdauer an den Durchlass
14 anschliesst, dass der Druck im Durchlass 14 im wesentlichen auf den Druck der Quelle 12 ansteigen kann, der höher als
der Druck P1 ist oder den Druck P- wenigstens überschreitet.
Anschliessend wird das Ventil 13 geschlossen, um die Quelle 12 vom Durchlass 14 abzutrennen. Der Druck im Durchlass
14 wird dann fortschreitend aufgrund der Leckverluste vom Durchlass 14 und/oder Einspritzer 15 abfallen. In diesem
Fall wird der Komparator 19 das erste Ausgangssignal erzeugen, wenn der Druck im Durchlass 14 auf den Druck P1 abgefallen
ist. In beiden Fällen liefert der Komparator 19 das erste Ausgangssignal, wenn der Druck im Durchlass 14 gleich dem
Druck P1 ist, wodurch das Ventil 13 die Quelle 12 vom
Durchlass 14 abtrennt.
Die Bezugseinheit 21 erzeugt am Anfang ein erstes digitales Bezugssignal, das dem Druck P-] entspricht und legt dieses
erste Bezugssignal an den Komparator 19 zum Vergleich mit dem Sensorsignal. Das erlaubt es dem Komparator 19,das
erste Ausgangssignal dann zu erzeugen, wenn der Druck im
Durchlass 14 gleich dem Druck P1 ist. Auf das erste Ausgangssignal
vom Komparator 19 ansprechend erzeugt die Bezugseinheit 21 ein zweites digitales Bezugssignal, das am
Komparator 19 liegt. Das zweite digitale Bezugssignal entspricht
einem niedrigeren vorbestimmten Druck Pi.
Nachdem das Ventil 13 die Quelle 12 vom Durchlass 14 abgetrennt
hat, wird der Druck im Durchlass 14 aufgrund der Leckverluste fortschreitend abfallen. Je grosser die Leckverluste
sind, umso schneller wird der Druck im Durchlass 14 abfallen. Wenn der Druck im Durchlass 14 auf den Druck
P, abgefallen ist, erzeugt der Komparator 19 ein zweites
Ausgangssignal. Die Zeitmesseinrichtung 22 ist so aufgebaut, dass sie die Zeitspanne zwischen der Erzeugung des ersten
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und zweiten Ausgangssignals durch den Komparator 19 misst. Diese Zeitspanne entspricht der Höhe der Leckverluste vom
Durchlass 14. Je grosser die Leckverluste sind, umso kürzer
ist die gemessene Zeitspänne, die der Druck im Durchlass braucht, um vom Druck P-j auf den Druck P2 abzufallen. Die
Zeitmesseinrichtung 22 ist weiterhin so aufgebaut, dass sie die gemessene Zeitspanne mit einer vorbestimmten Zeitspanne
vergleicht. Die vorbestimmte Zeitspanne entspricht der Grenze zwischen den hinnehmbaren und den zu grossen Leckverlusten.
Wenn die gemessene Zeitspanne unter der vorbestimmten Zeitspanne liegt, sind die Leckverluste übermässig gross.
Wenn die gemessene Zeitspanne grosser als die vorbestimmte Zeitspanne
ist, können die Leckverluste hingenommen werden.
Die Zextmesseinrichtung 22 betätigt die Anzeigeeinheit 23 nach Massgabe der gemessenen Zeitspanne. Die Anzeigeeinheit 23
kann eine oder zwei nicht dargestellte Lampen aufweisen. Wenn nur eine Lampe vorhanden ist, kann die Lampe aufleuchten,
wenn die Leckverluste hinnehmbar sind. Die Lampe kann auch aufleuchten, wenn die Leckverluste übermässig gross sind.
Wenn zwei Lampen vorhanden sind, kann eine Lampe aufleuchten, wenn die Leckverluste hinnehmbar sind/und kann die andere
Lampe aufleuchten, wenn die Leckverluste zu gross sind.
Die Anzeigeeinheit 23 kann gleichfalls eine Einrichtung aufweisen, die die gemessene Zeitspanne oder einen dementsprechenden
Wert anzeigt. Die Anzeigeeinheit 23 kann den gemessenen Wert unter allen Umstände, nur wenn die Leckverluste
hinnehmbar sind oder nur wenn die Leckverluste übermässig gross sind, anzeigen, je nachdem was bei der speziellen
Anwendung erforderlich ist.
Die Anzeigeeinheit 23 erzeugt ein Alarmsignal, wenn die Stärke der Leckverluste übermässig gross ist. Das Alarmsignal erregt
eine Alarmeinrichtung 24, die ein Summer, eine Glocke,ein
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Blinklicht, eine Sirene oder ein Horn sein kann. Das Ausgangssignal
der Anzeigeeinheit 23 und/oder der Zeitmesseinrichtung 22 kann an einem entfernten Steuerpult, einer Aufzeichnungseinrichtung, einer digitalen Datensammeleinrichtung oder
ähnlichem liegen, falls das erwünscht sein sollte.
Die Zeitmesseinrichtung 22 vergleicht die gemessene Zeitspanne, die mit TF bezeichnet, mit der vorbestimmten Zeitspanne, die
mit TO bezeichnet ist. Fig. 3 zeigt einen Grenzfall, indem TF=TO ist, was anzeigt, dass die Höhe der Leckverluste an
der Grenze dessen liegt, was noch hinzunehmen ist. In Fig. ist TF kleiner als TO, was anzeigt, dass die Leckverluste
übermässig gross sind. In Fig. 4 ist TF grosser als TO, was anzeigt, dass die Leckverluste hinnehmbar sind. In den Fig.
2 bis 4 sind auf der Abszisse die Zeit T und auf der Ordinate der Druck P im Durchlass 14 aufgetragen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Zeitmesseinrichtung 22 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Zeitmesseinrichtung 22
weist einen Taktimpulsgenerator 26 auf, der Taktimpulse an den Takteingang CK eines digitalen Abzählers 27 über ein
UND-Glied 28 legt. Die Bezugseinheit 21 legt ein digitales Signal, das der vorbestimmten Zeitspanne TO entspricht, an
den Dateneingang des Zählers 27. Das erste Ausgangssignal des Komparator 19 liegt am Setzeingang S des Zählers 27.
Das führt dazu, dass ein Signal, das der Zeitspanne TO entspricht, in den Zähler 27 eingegeben wird und der Zähler 27
auf die Taktimpulse ansprechend abzählt. Der Komparator 19 liegt mit einem Ausgang an einem Eingang des UND-Gliedes
28, um das UND-Glied 28 solange durchzuschalten, wie der Druck im Durchlass 14 über dem Druck P 2 liegt. Das UND-Glied
28 wird gesperrt, wenn das zweite Ausgangssignal vom Komparator
19 erzeugt wird. Der Zähler 27 ist so aufgebaut, dass er bis auf Null abzählt und anhält.
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Auf das erste Ausgangssignal vom Komparator 19 ansprechend, wird das Signal, das der Zeitspanne TO entspricht, in den
Zähler 27 eingegeben und beginnt der Zähler 27 mit dem Abzählen. Wenn der Zählerstand des Zählers 27 Null erreicht,
bevor der Komparator 19 das zweite Ausgangssignal erzeugt, bleibt der Zählerstand des Zählers 19 bei Null. Wenn der
Komparator 19 jedoch das zweite Ausgangssignal erzeugt, bevor der Zähler 27 seinen Zählerstand bis auf Null vermindert
hat, sperrt der Komparator 19 das UND-Glied 28, so dass keine weiteren Taktimpulse am Zähler 27 liegen. Dadurch
wird der Zähler 27 bei einem Zählerstand angehalten, der zu dem Zeitpunkt erreicht wurde, an dem der Komparator 19 das
zweite Ausgangssignal erzeugt hat. Der Zählerstand im Zähler
27 wird somit gleich Null sein, wenn die Höhe der Leckverluste übermässig gross ist und wird ungleich Null sein, wenn die
Höhe der Leckverluste hinnehmbar ist.
Der Zähler 27 liefert ein Ausgangssignal yO, das einen hohen
logischen Pegel hat, wenn der Zählerstand im Zähler 27 grosser als Null ist, und das einen niedrigeren logischen
Pegel hat, wenn der Zählerstand im Zähler 27 gleich Null ist. Wenn das Ausgangssignal >O auf einem hohen Pegel liegt, ist
somit die Höhe der Leckverluste hinnehmbar und umgekehrt.
Der Zählerstand im Zähler 27 kann auch vom Datenausgang des Zählers 27 an .der Anzeigeeinheit 23 liegen. Auf der Grundlage
einer logischen Wahrnehmung des Ausgangssignals ρΌ kann die
Anzeigeeinheit 23 den Zählerstand im Zähler 27 anzeigen, der der gemessenen Zeitspanne TF entspricht, wenn die Höhe der
Leckverluste entweder übermässig gross oder hinnehmbar ist, je nachdem wie es erwünscht ist. Die Zeitmesseinrichtung 22
kann so ausgebildet sein, dass sie bis unter Null zählen kann, damit der Zählerstand anzeigt, ob die Höhe der Leckverluste
hinnehmbar oder übermässig gross ist, je nachdem wie es bei einer speziellen Anwendung erforderlich ist.
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Durch die Erfindung wird somit eine zuverlässig und genau arbeitende Vorrichtung zum Messen der Höhe der Leckverluste
bei einem Fluiddurchlass irgendeiner Art geliefert.
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