DE29702188U1

DE29702188U1 - Vorrichtung zum Zumessen einer vorgebbaren Sollmenge eines Fluids

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Publication number: DE29702188U1
Application number: DE29702188U
Authority: DE
Original assignee: Deutsche Tecalemit GmbH
Current assignee: Deutsche Tecalemit 2000 GmbH
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-02-08
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2007-02-09

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zumessen einer vorgebbaren Sollmenge eines durch eine Förderleitung strömenden Fluids, wie Öl, mit einer Steuereinheit, mit einem von der Steuereinheit steuerbaren Ventil zum Absperren der Förderleitung und mit einer der Förderleitung zugeordneten Meßeinrichtung zur Messung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Meßeinrichtung an die Steuereinheit zur Eingabe von Meßsignalen angeschlossen ist und wobei die Steuereinheit einen Subtrahierer zum Abziehen eines Stopwerts von der Sollmenge und einen Integrator zur Bestimmung der geströmten Fluidmenge aus den Meßsignalen sowie einen Vergleicher umfaßt, so daß nach Erreichen der um den Stopwert verminderten Sollmenge von der Steuereinheit ein Schließsignal an das Ventil ausgebbar ist.

Eine derartige Vorrichtung dient der Abgabe von vorwählbaren Fluidmengen und beispielsweise der Zumessung von Öl bei einem Fahrzeugmotor. Die dosierte Menge muß dabei eichgerecht abgegeben werden, das heißt, daß nach der deutschen Eichordnung eine Toleranz von ± 0,3 % des Nennwertes eingehalten werden muß.

Bei einer bekannten Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen sind zur Erreichung der vorgenannten Genauigkeit zwei parallel geschaltete, elektromagnetisch betätigte Ventile vorgesehen, die den Förderstrom in einen Haupt- und einen Nebenstrom aufteilen. Das Abgabevolumen ist als Sollmenge vorgebbar. Bei der Fluidausgabe schließt die Vorrichtung den Hauptstrom durch entsprechende Betätigung des zugeordneten Ventils, wenn das gewünschte Abgabevolumen abzüglich eines fest vorgegebenen Stopwerts erreicht ist. So wird zur genauen Dosierung der Förderstrom wesentlich reduziert, und die Vorrichtung gibt nach Erreichen des gewünschten Abgabevolumens ein Schließsignal an das Nebenstromventil aus.

Bei der bekannten Vorrichtung ist nachteilig, daß zwei Absperrventile erforderlich sind, so daß die Gestehungskosten und die Störanfälligkeit verhältnismäßig hoch sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zumessen einer vorgebbaren Sollmenge eines Fluids mit den eingangs genannten

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Merkmalen dahingehend weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau und geringen Gestehungskosten eine sehr hohe Zumeßgenauigkeit erreichbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß die Sperreinheit eine erste Berechnungseinheit zur Bestimmung des aktuellen Durchflusses aus den Meßsignalen und eine zweite Berechnungseinheit zur Bestimmung des Stopwerts aus dem aktuellen Durchfluß umfaßt, so daß der aktuell bestimmte Stopwert dem Subtrahierer vorgebbar und das Schließsignal durchflußabhängig an das Ventil ausgebbar ist.

Hierbei ist unter dem Begriff Sollmenge ein Volumen oder eine Masse des auszugebenden Fluids zu verstehen. Als Durchfluß ist ein Vojumenstrom oder ein Massestrom des Fluids bezeichnet; der Durchfluß entspricht also der pro Zeiteinheit fließenden Menge.

Eine wesentliche Idee der vorschlagsgemäßen Lösung liegt darin, daß die Ansprechzeit eines insbesondere elektromagnetisch betätigten Ventils, also die Zeit von der Ausgabe eines Schließsignals an das Ventil bis zum Schließen des Ventils, im wesentlichen konstant ist, so daß die nach Ausgabe des Schließsignals nachfließende Fluidmenge zumindest in sehr guter Näherung nur vom Durchfluß bzw. der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Durch Bestimmung eines aktuellen durchflußabhängigen Stopwerts wird die nach Ausgabe des Schließsignals an das Ventil noch nachlaufende Fluidmenge berücksichtigt, so daß eine hochpräzise, die vorgenannten Toleranzen bezüglich einer Sollmenge einhaltende Zumessung erreichbar ist.

Bei der'vorschlagsgemäßen Lösung ist lediglich ein einziges von der Steuereinheit zu betätigendes Absperrventil in der Förderleitung erforderlich. Dies führt zu einem einfachen, kostengünstigen Aufbau und einer geringen Störanfälligkeit der Zumeßvorrichtung.

Ein weiterer Vorteil der vorschlagsgemäßen Lösung liegt in der minimalen Zeit, die zur Ausgabe einer gewünschten Fluidmenge erforderlich ist, da im Gegensatz zum Stand der Technik während des gesamten Ausgabevorgangs die volle, beispielsweise durch eine Pumpe bereitgestellte Förderleistung ausgenutzt werden kann.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung, die in eine Förderleitung geschaltet ist.

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung 1 zum Zumessen einer vorgebbaren Sollmenge eines durch eine Förderleitung 2 strömenden Fluids 3 umfaßt eine Steuereinheit 4, ein Ventil 5 zum Absperren der Förderleitung 2 und eine der Förderleitung 2 zugeordnete Meßeinrichtung 6.

Das Fluid 3, wie Öl, wird beim Darstellungsbeispiel einem Reservoir 7 mittels einer beispielsweise durch einen Elektromotor angetriebenen Pumpe 8 entnommen und durch die Förderleitung 2 zu einer Entnahmestelle 9 gefördert.

Die Zündvorrichtung 1 ist mit ihrer Meßeinrichtung 6 und dem Ventil 5 zwischen die Pumpe 8 und die Entnahmestelle 9 in die Förderleitung 2 geschaltet.

Beim Darstellungsbeispiel ist der Zündvorrichtung 1 ein handbetätigbares Absperrventil 10 nachgeordnet.

Die zur Übertragung von Meßsignalen an die Steuereinheit 4 angeschlossene Meßeinrichtung 6 ist vorzugsweise als Durchflußmesser ausgebildet, der insbesondere zu dem durch die Förderleitung 2 fließenden Volumenstrom korrespondierende Meßsignaie a'n die Steuereinheit 4 ausgibt. Die Volumenstrombestimmung kann beispielsweise mittels Ultraschall erfolgen. Alternativ kann die Meßeinrichtung 6 den Massestrom des Fluids 3 als Durchfluß durch die Förderleitung 2 messen. Alternativ mißt die Meßeinrichtung 6 eine zu dem Volumen- bzw. Massestrom des Fluids 3 proportionale Strömungsgeschwindigkeit in der Förderleitung 2.

Aus den Meßsignalen der Meßeinrichtung 6 ist eine durch die Förderleitung 2 geflossene Fluidmenge, insbesondere das geflossene Fluidvolumen, von der Steuereinheit 4 bestimmbar. Je nach Ausgestaltung der Meßeinrichtung 6 kann diese aber auch un-

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mittelbar ein die geflossene Fluidmenge angebendes Meßsignal an die Steuereinheit 4 ausgeben.

Zur Vorgabe einer zuzumessenden Sollmenge an Fluid 3 ist die Sollmenge in die Steuereinheit 4 über nicht im einzelnen dargestellte Eingabemittel eingebbar, wie durch Pfeil 11 veranschaulicht.

Die Steuereinheit 4 umfaßt einen Subtrahierer 12, der von der vorgegebenen Sollmenge einen Stopwert, dessen Bestimmung später im einzelnen erläutert wird, abzieht.

Weiter umfaßt die Steuereinheit 4 eine Meßsignalverarbeitungseinheit bzw. einen Integrator 13, um aus den von der Meßeinrichtung 6 gelieferten Meßsignalen die seit Beginn der Mengenmessung, der durch das Öffnen des Ventils 5 bestimmt ist, geflossene Fluidmenge zu bestimmen.

Des weiteren umfaßt die Steuereinheit 4 einen Vergleicher 14, der den vom Integrator 13 bestimmten Fluidmengewert aufnimmt und mit dem von dem Subtrahierer 12 ausgegebenen Vergleichswert (Sollmenge abzüglich Stopwert) vergleicht und ein Schließsignal an das Ventil 5 ausgibt, wenn die vom Integrator 13 bestimmte Durchflußmenge die Sollmenge abzüglich des Stopwerts erreicht oder gar überschritten hat. Das Schließsignal bewirkt, daß das Ventil 5 geschlossen wird, indem die Stromversorgung zu einem das Ventil 5 betätigenden, nicht dargestellten Elektromagneten je nach Ausbildung des Ventils 5 unterbrochen oder hergestellt wird.

Die Steuereinheit 4 weist ferner eine erste Berechnungseinheit 15 zur Bestimmung des aktuellen Durchflusses in der Förderleitung 2 aus den Meßsignalen der Meßeinrichtung 6 auf.

An die erste Berechnungseinheit 15 ist eine zweite Berechnungseinheit 16 der Steuereinheit 4 zur Bestimmung eines aktuellen Stopwerts angeschlossen. Die Bestimmung des Stopwerts erfolgt durch eine Funktion, deren Parameter beim Darstellungsbeispiel in einer Speichereinheit 17 der zweiten Berechnungseinheit 16 abgelegt sind. Diese Parameter sind über nicht im einzelnen dargestellte Eingabemittel in die

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Speichereinheit 17 eingebbar bzw. der Steuereinheit 4 vorgebbar, wie durch Pfeil 18 angedeutet. Der von der zweiten Berechnungseinheit 16 bestimmte aktuelle Stopwert ist an den Subtrahierer 12 ausgebbar, so daß dieser ein vom aktuellen Stopwert und damit einen vom aktuellen Durchfluß abhängigen Vergleichswert, mit dem die vom Integrator 13 bestimmte Fluidmenge zu vergleichen ist, dem Vergleicher 14 vorgibt.

Nachfolgend wird die Funktion der vorschlagsgemäßen Vorrichtung beispielhaft an der Zumessung eines gewünschten Fluidvolumens erläutert.

Bei geöffnetem Ventil 10 beginnt mit Öffnen des Ventils 5 der Vorrichtung 1 das Fluid 3 durch die Förderleitung 2 zur Entnahmeöffnung 9 gefördert durch die Pumpe 8 zu fließen. Die Meßeinrichtung 6 liefert zum Volumenstrom korrespondierende Meßsignale, beispielsweise Impulse, die vom Integrator 13 zur Bestimmung des geflossenen Fluidvolumens (geströmte Fluidmenge) ausgewertet, beispielsweise fortlaufend aufaddiert werden.

Die erste Berechnungseinheit 15 der Steuereinheit 4 bestimmt aus den Meßsignalen der Meßeinrichtung 6 fortlaufend den aktuellen Volumenstrom (Durchfluß) des Fluids 3 in der Förderleitung 2.

Die zweite Berechnungseinheit 16 bestimmt auf der Grundlage des von der ersten Berechnungseinheit 15 bestimmten aktuellen Durchflusses dM/dt bzw. des Volumenstroms dV/dt den aktuellen Stopwert S gemäß einer ersten Ausführungsvariante mit Hilfe einer Funktion ersten Grades, nämlich

S = Mo + To · dM/dt

bzw.

To-dV/dt.

Bei dieser Funktion entspricht die Konstante To im wesentlichen der vom Durchfluß unabhängigen Schließzeit des Ventils 5. Dabei kann sich To aus verschiedenen Antei-

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len, wie Signalübertragungszeiten und der Ansprechverzögerung des Ventils 5, zusammensetzen.

Die andere Konstante Mo bzw. Vo kompensiert eventuell vorhandene, vom Durchfluß des Fluids 2 unabhängige Nachlaufmengen und kann ggf. auch "0" sein.

Der S top wert wird von der zweiten Berechnungseinheit 16 entsprechend dem von der ersten Berechnungseinheit 15 bestimmten Durchfluß bzw. Volumenstrom fortlaufend bei geöffnetem Ventil 5 neu berechnet und dadurch aktualisiert.

Der Subtrahierer 12 berechnet die Differenz vorgegebene Sollmenge bzw. vorgegebenes Sollvolumen abzüglich Stopwert auf der Grundlage des von der zweiten Berechnungseinheit 16 aktualisierten Stopwertes fortlaufend neu und gibt diese Differenz als Vergleichs wert an den Vergleicher 14 aus, der ständig prüft, ob die von dem Integrator 13 bestimmte Fluidmenge bzw. das bereits geflossene Fluidvolumen den Vergleichswert erreicht hat.

Wenn die geflossene Menge bzw. das geflossene Volumen den Vergleichswert erreicht hat, wird von der Steuereinheit 4 das Schließsignal an das Ventil 5 ausgegeben, woraufhin das Ventil 5 mit einer gewissen Verzögerung schließt und damit die Fluidausgabe beendet.

Die beiden Konstanten To und Mo bzw. Vo legen bei der vorgenannten Ausführungsvariante die Funktion und damit die Bestimmung des aktuellen Stopwerts in der zweiten Berechnungseinheit 16 fest. Dementsprechend müssen diese Konstanten beim Eichen der Vorrichtung 1 bestimmt und zur Berechnung des aktuellen Stopwerts bereitgehalten werden, was hier durch Eingabe der Parameter in die Speichereinheit 17 erfolgen kann.

Es hat sich gezeigt, daß mit der vorschlagsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß dem voranstehenden Funktionsablauf eine hochgradig genaue Zumessung des Fluids 3 erreichbar ist.

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Selbstverständlich können anstelle der voranstehend aufgeführten Funktion ersten Grades auch andere Funktionen z. B. höheren Grades und/oder mit mehr Parametern und/oder weiteren funktionellen Abhängigkeiten verwendet werden, wobei insbesondere To einer funktionellen Abhängigkeit unterliegen und beispielsweise von Temperatur, Durchfluß, Fluiddichte oder sonstigen Fluideigenschaften abhängen kann.

Eine zweite Ausführungsvariante unterscheidet sich von der voranstehend beschriebenen lediglich dadurch, daß die Bestimmung des aktuellen Stopwerts in der zweiten Berechnungseinheit 16 abweicht. Statt eines parametrisierten funktionellen Zusammenhangs zwischen dem aktuellen Durchfluß und dem aktuellen Stopwert wird gemäß der zweiten Variante der aktuelle Stopwert mit Hilfe einer vorgebbaren Tabelle bzw. Kurve bestimmt. Diese Tabelle kann durch vorhergehende Eichungen festgelegt und in die Speichereinheit 17 eingegeben werden. Anhand dieser Tabelle bestimmt die zweite Berechnungseinheit 16 den aktuellen Stopwert dann beispielsweise in Stufen oder bei Bedarf durch Interpolation.

Gemäß einer Weiterbildung weist die Steuereinheit 4 eine nicht dargestellte Fehlerkorrektureinheit auf, die den vom Integrator 13 ausgegebenen Mengenwert nach vollständiger Beendigung eines Ausgabevorgangs daraufhin überprüft, wie stark eine tatsächlich ausgebende Fluidmenge von der Sollmenge abweicht, und aufgrund dieser Abweichungen eine Korrektur der in der Speichereinheit 17 gespeicherten Tabellen- bzw. Kurvenwerte oder funktionalen Parameter, wie To oder Mo bzw. Vo, zur Minimierung der Abweichungen vornimmt. So wird ein selbstlernendes System erhalten, das das Fluid 3 hochgradig genau bezüglich einer Sollmenge dosiert.

Der Funktionsablauf wurde voranstehend entweder unter dem allgemeinen Begriff der Zumessung einer Fluidmenge oder insbesondere bezüglich der Zumessung eines Fluidvolumens erläutert. Zur Zumessung einer Fluidmenge ist es erforderlich, daß die Steuereinheit 4 bzw. der Integrator 13 aus den von der Meßeinrichtung 6 gelieferten Meßsignalen das geschlossene Fluidvolumen bestimmen kann. Hierfür ist die Meßeinrichtung 6 vorzugsweise zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit in der Förderleitung 2 oder eines Volumenstroms ausgebildet. Mit dem beschriebenen Funktionsablauf ist es aber auch möglich, anstelle eines vorgegebenen Fluidvolumens

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eine vorgegebene Fluidmasse als Sollmenge zuzumessen. In diesem Fall sind die Meßeinrichtung 6 und die Steuereinheit 4 bzw. deren Integrator 13 so ausgebildet, daß die geflossene Fluidmasse bestimmbar ist. Hierfür eignet sich dann insbesondere ein nach dem Coriolisprinzip arbeitender Massendurchflußmesser als Meßeinrichtung 6. Jedoch ist es auch möglich, die geströmte Fluidmasse aus einer Strömungsgeschwindigkeit in der Förderleitung 2 und der Fluiddichte, die beispielsweise hinterlegt ist oder eingegeben oder aktuell gemessen wird, zu bestimmen. Jedenfalls wird bei der Zumessung einer Fluidmasse anstelle des Volumenstroms der Massestrom des Fluids 3 als aktueller Durchfluß von der ersten Berechnungseinheit 15 bestimmt.

Es ist selbstverständlich, daß anstelle des tatsächlichen Durchflusses auch beispielsweise ein dazu proportionaler Wert von der ersten'Berechnungseinheit 15 bestimmt und der zweiten Berechnungseinheit 16 verarbeitet werden kann.

Falls die Meßeinrichtung 6 direkt ein die geflossene Fluidmasse oder das geflossene Fluidvolumen angebendes Meßsignal ausgibt, umfaßt die erste Berechnungseinheit 15 zur Bestimmung des Durchflusses, der eine zeitliche Ableitung darstellt, einen Differenzierer.

Die Steuereinheit 4 kann über die voranstehend beschriebenen Funktionen hinaus weitere Funktionen wahrnehmen. Insbesondere wird die jeweils tatsächlich geflossene Fluidmenge bestimmt, gespeichert, angezeigt und/oder zur Weiterverarbeitung ausgeben. Zudem können die beschriebenen Funktionseinheiten der Steuereinheit 4, wie erste und zweite Berechnungseinheit 15, 16, Integrator 13, Vergleicher 14 und Subtrahierer 12 wahlweise durch diskrete Baugruppen oder softwaremäßig realisiert werden. So kann es genügen, die Steuereinheit 4 durch eine Zentraleinheit mit zugeordnetem Speicher und entsprechenden Ein- und Ausgabeanschlüssen auszubilden.

Claims

Gesthuysen & von Rohr - 9- Schutzansprüche:

1. Vorrichtung (1) zum Zumessen einer vorgebbaren Sollmenge eines durch eine Förderleitung (2) strömenden Fluids (3), wie Öl, mit einer Steuereinheit (4), mit einem von der Steuereinheit (4) steuerbaren Ventil (5) zum Absperren der Förderleitung (2) und mit einer der Förderleitung (2) zugeordneten Meßeinrichtung (6) zur Messung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Meßeinrichtung (6) an die Steuereinheit (4) zur Eingabe von Meßsignalen angeschlossen ist und wobei die Steuereinheit (4) einen Subtrahierer (12) zum Abziehen eines Stopwerts von der Sollmenge und einen Integrator (13) zur Bestimmung der geströmten Fluidmenge aus den Meßsignalen sowie einen Vergleicher (14) umfaßt, so daß nach Erreichen der um den S topwert verminderten Sollmenge von der Steuereinheit (4) ein Schließsignal an das Ventil (5) ausgebbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinheit (4) eine erste Berechnungseinheit (15) zur Bestimmung des aktuellen Durchflusses aus den Meßsignalen und eine zweite Berechnungseinheit (16) zur Bestimmung des Stopwertes aus dem aktuellen Durchfluß umfaßt, so daß der aktuell bestimmte Stopwert dem Subtrahierer .(12) vorgebbar und das Schließsignal durchflußabhängig an das Ventil (5) ausgebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Berechnungseinheit (16) eine Speichereinheit (17) zum Speichern einer vorgebbaren

■_ Jabelle an Durchflußwerten und zugeordneten Stopwerten umfaßt, mit der, gegebenenfalls unter Interpolation, ein aktueller Stopwert zu dem von der ersten Berechnungseinheit (15) bestimmten aktuellen Durchfluß von der zweiten Berechnungseinheit (16) bestimmbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Berechnungseinheit (16) eine Speichereinheit (17) zum Speichern von vorgebbaren Parametern für eine dem Durchfluß einen Stopwert zuordnende Funktion umfaßt, so daß mittels der Funktion aus dem von der ersten Berechnungseinheit (15) be-

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stimmten aktuellen Durchfluß ein aktueller S top wert von der zweiten Berechnungseinheit (16) bestimmbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion ersten Grades ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Berechnungseinheit (16) so ausgebildet ist, daß der aktuelle Stopwert S mittels der Funktion S = Mo + To · dM/dt bestimmbar ist, wobei Mo eine erste Konstante, To eine zweite, im wesentlichen der Schließ verzögerung des Ventils (5) entsprechende Konstante und dM/dt den von der ersten Berechnungseinheit (15) bestimmten aktuellen Durchfluß darstellen.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß während einer Zumessung der aktuelle Durchfluß und der aktuelle Stopwert bis zur Ausgabe des Schließsignals wiederholt bestimmbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich ein von der Steuereinheit (4) steuerbares ,Ventil (5) zum Absperren der Förderleitung (2) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Zumessung eines vorgebbaren Volumens ausgebildet ist, wobei

., vorzugsweise die Meßeinrichtung (6) zur Messung des Volumenstroms oder der Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet ist, und daß der Steuereinheit (4) ein Volumen als Sollmenge vorgebbar ist.