JP2008507707A - 超音波伝播時間測定による高圧タンク内の同時圧力及び温度決定のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明はとりわけコモンレールの高圧タンク内の圧力及び温度測定に関する。本発明によれば、超音波送信器（５、１０５、２０５、３０５、４０５、６０５）乃至は超音波受信器（６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６）によって、圧力パルスの伝播時間に基づいて媒体の高圧タンク（１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）内の圧力が検出されうる方法が提案される。本発明によれば、さらに、超音波受信器は超音波送信器（５、１０５、２０５、３０５、４０５、６０５）乃至は超音波受信器（６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６）と媒体（３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３）との間に配置されている付加的なエレメント内部を伝播する圧力パルス及びこの伝播を相応に検出し、この結果、これから温度をもとめる。

Description

本発明は請求項１の上位概念記載の圧力及び温度の決定のための方法ならびに請求項６の上位概念記載の同時圧力及び温度決定のための装置に関する。

従来技術
高圧タンク内の液体の圧力検出はとりわけコモンレールシステムにおける又はガソリン噴射技術におけるディーゼル圧力の測定において必要不可欠であり、コモンレールシステム又はガソリン噴射技術の場合には２０００バールまでの液圧が生じる。他の工業分野においても高圧タンク内の液圧は測定される。このために様々な圧力測定技術が公知である。

一方では圧力センサとしてメンブレン又は他の変形体を高圧タンクの壁の中に統合することが可能であり、このメンブレン乃至は他の変形体の歪みがいわゆるピエゾ抵抗原理によって圧力センサを用いて測定される。

圧力センサは完全に高圧タンク内に、すなわち測定すべき媒体の中に例えばピエゾ抵抗材料の使用の際のように直に取付けられる。このために例えば高多孔質ＲｕＯ_２が使用され、これは静水圧力の影響下でその電気的輸送特性を変化させる。

さらにコモンレール又はガソリン直接噴射部の内部の静水圧力の測定のための装置が公知であり、この装置は実質的にコモンレール又はガソリン直接噴射部の外側に超音波送信器が相応する超音波受信器とともに設けられており、この超音波受信器によって超音波センサから送出されるパルスの伝播時間が測定される。超音波は圧力タンクの外壁を貫いて、次いで高圧タンク内に含まれる液体の内部に伝わり、高圧タンクの端部で反射される。超音波パルスがこの定められた区間を通過するために必要とする時間が測定され、これからパルス速度が計算され、これから液体における圧力が決定される。

従来技術の欠点
圧力の決定のための量としてここで必要であるパルス速度は様々なファクタに依存する。一方でこれは高圧タンク内の圧力に依存する。はるかに重要なことは、パルス速度が温度に依存することである。それゆえ、正確なパルス速度を決定するためには実際の温度も検出することが重要である。

なるほど相応の圧力タンクの外壁にこの外壁の温度を測定するサーモエレメントを取付けることは可能である。しかし、実験の結果、外壁の温度は部分的に圧力タンク内に設けられた実際の媒体の温度よりも高いことが検出された。これはまたパルス速度から計算される圧力が実際の状態に相応していないという結果となる。

本発明の課題
本発明の課題は、従って、高圧タンク内にある圧力及び同時にこれに加えて温度もこの高圧タンクの外側に設けられている測定装置によって検出するための装置ならびに方法を提供することである。

課題の解決方法
上記課題の解決策は、同時に圧力も温度も検出することにあり、超音波センサから送出された超音波パルスが更に別のエレメントを励振し、超音波パルスが進んだ時間も測定され、この場合この時間が高圧タンク内の実際の温度を計算するために決定されることである。

発明の利点
圧力の測定原理は搬送媒体中の超音波速度と圧力との公知の関係に基づく。

超音波パルスの伝播時間が測定されるならば、超音波速度、従って搬送媒体の圧力が推定されうる。

コモンレール（高圧タンク）はテスト目的のために例えばＩＳＯ４１１３による標準検査オイルで充填される。必要な測定手段は標準構成部材であり、この結果、割安な調達が可能である。伝播時間測定自体は暗黙の内に圧力パルスの全伝播区間に亘る平均測定を介して行われる。この測定は例えばインジェクタ供給導管の近傍において発生するような局所的な個別圧力ピークによって妨害されない。

本発明によれば、発生される圧力測定パルスは高圧タンク内にある媒体のほかに高圧タンクをパルスによって通過するので、この更に別のパルスの反射を測定し、これを検出された温度関係を介して圧力及び超音波速度に関連付け、この結果、この更に別の材料により喚起されるこれらの反射に基づいて温度を推定することができる。

本発明の重要な利点の一つは、同期して、すなわち同じ時間に温度も圧力も測定されうることである。これによって超音波パルスの伝播時間に関して温度特性のキャリブレーションが可能である。

本発明の更に別の重要な利点は、圧力タンクの中への介入制御なしで、最も単純な手段によって測定装置が提供され、この測定装置は正確な圧力測定ならびに温度測定を可能にすることである。

本発明の有利な実施形態は、超音波センサが中心に（ｃｅｎｔｒｉｃ）ではなく、中心の外側に設けられるように構成されている。従って、発生された超音波パルスは搬送媒体にだけでなく所定の成分だけだがコモンレール乃至は高圧タンクの外筒にも入力結合する。超音波速度は金属の中では液体の中よりもファクタ４〜５だけ高いので、これら２つの応答パルスは互いに明確に分離されうる。

管壁における超音波速度が温度に一意的に依存するならば、この速度は温度の決定に使用される。これに対して、超音波速度はほとんど圧力には依存しない。その点でこれら２つの効果は互いに分離できる。利点は、温度が高圧タンクの長さに沿って平均化され、これによって平均媒体温度に非常に近くなることである。同様に、この構成は相応の大きな超音波ヘッドによっても実現され、この超音波ヘッドは十分に高圧タンクの内壁にパワーを入力結合する。この場合、超音波ヘッドは中心に組み込まれうる。入力結合されたパワーは超音波レンズの集束特性を介しても調整されうる。

さらに、別の解決策が設けられる。有利には、超音波送信器の表面と高圧タンクの結合部との間の中間空間を更に別のエレメントで充填することが提案される。これは、その依存性に関して、すなわち温度への超音波速度の依存性に関して理想的に選択されうる。従って、音波は最初にこの更に別のエレメントの中に入力結合する。この音波は第１の境界面で反射される。この第１の応答パルスはこの場合温度測定に使用される。第２の、明らかに時間的に後の応答パルスは圧力測定のために使用される。

第３の実施形態では、有利には、超音波送信器と高圧タンクとの間にエレメントが設けられ、このエレメントは大きな所定の長さ膨張を有し、この長さ膨張は実際の温度に依存する。有利にはこれは通常は５０ｐｐｍ／Ｋの規模の非常に大きな長さ膨張を有するプラスチックでよい。このエレメントの厚さの変化は音波の伝播区間を変化させる。これにより温度が決定されうる。このエレメントの材料は、この場合利用される温度領域において音波速度ができるだけ温度に依存しない又は温度にほんの少ししか依存しないように選択されなければならない。長さ膨張は超音波ヘッドの裏面においてスプリングサスペンションによって補償され、この結果、大きな機械的な応力がこのエレメント（膨張エレメントの圧縮を防止する）及び超音波ヘッドに作用しない。

本発明の更なる有利な実施形態では、更に別のエレメントとして液体との境界面が利用され、この境界面で相応の超音波パルスが反射される。しかし、このためには、相応の信号が励振パルスの減衰特性の中に埋没してしまわないように、比較的強くダンピングされる超音波パルス発生器を使用することが必要である。

非常にもっともな解決策において、サーモエレメントが超音波送信器の下方の領域においてこの更に別のエレメントの中に入れられる。サーモエレメントは、できるだけ熱が外部へと放射されないように設けられる。測定される温度は従って高精度で高圧タンク内にある媒体の温度に相応する。

この場合、さらに結合箇所が有利には高圧タンクの極めて薄い壁厚を有するように顧慮される。従って、熱慣性は外壁と比べると明らかに低減されている。

更なる有利な実施形態は以下の記述、図面ならびに請求項から明らかである。

図面
図１は従来技術による圧力測定のためのセンサを有するコモンレールの構成における高圧タンクの概略図を示す。

図２は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第１の実施例の概略図を示す。

図３は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第２の実施例の概略図を示す。

図４は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第３の実施例の概略図を示す。

図５は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第４の実施例の概略図を示す。

図６は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第５の実施例の概略図を示す。

図７は圧力及び温度測定のためのセンサを有する第６の実施例の概略図を示す。

実施例の記述
図１には高圧タンク１が図示されている。この高圧タンク１は密閉されており、その中空空間２の中に媒体３を含む。この高圧タンク１の端面４には超音波送信器５ならびにこの超音波送信器５の中に統合された超音波受信器６が、有利には構成部材として形成されて、配置されている。

圧力測定のためには、超音波送信器５が圧力パルス７を矢印方向８に超音波送信器５から媒体３の中へと送信する。この圧力パルスは超音波送信器５に向かい合った側面９において反射され、矢印１０の方向に、従って超音波受信器６の方向に送信される。反射された圧力パルス７の受信の後でこの高圧タンク１の所定の長さＬに基づいて媒体３の内部の圧力が計算される。

図２には、本発明の装置の第１の実施例が示されている。この装置は高圧タンク１０１ならびにこの高圧タンク１０１内部に設けられた中空空間１０２を含み、この中空空間１０２は媒体１０３を含む。さらに、高圧タンク１０１の端面１０４には超音波送信器及び受信器１０５、１０６が設けられており、この超音波送信器及び受信器１０５、１０６は送信器特性も受信器特性も有する。超音波センサ１０５、１０６は高圧タンク１０１の中心軸１１１に対して対称的には配置されてはおらず、ずらされている。超音波送信器１０５による圧力パルス１０７の発生によって第１の圧力パルス１０７ａは矢印方向１０８ａに媒体１０３の内部を伝播してゆく。圧力パルス１０７はさらに圧力パルス１０７ｂに分かれ、この圧力パルス１０７ｂは高圧タンク１０１の材料の中を矢印方向１０８に伝播してゆく。超音波受信器１０６は両方の圧力パルス１０７ａ及び１０７ｂを受信しうる特性を有し、材料に基づいて（圧力パルス１０７ｂは高圧タンク１０１の金属の内部をより迅速に伝播しうる）圧力パルス１０７ｂが最初に超音波受信器１０６によって受信される。この時間窓に基づいて伝播時間が温度計算に使用されうる。

図３には高圧タンク２０１、中空空間２０２ならびにこの中空空間２０２の中にある媒体２０３を有する装置の代替的な構成が図示されている。この装置は、図２の装置と比べて、超音波受信器２０６及び超音波送信器２０５が中心に、すなわち高圧タンク２０１の中心軸２１１上に配置されていることによって異なっている。超音波送信器２０５乃至は超音波受信器２０６の寸法は、これがほぼ高圧タンク２０１の端面全体２０４に亘って広がっているように設計されており、この結果、これは圧力パルス２０７ｂ及び２０７ｃならびに媒体２０３の中を伝達される圧力パルス２０７ａを矢印２０８ａ、２０８ｂ及び２０８ｃの方向において送信乃至は受信することができる。

図４には、装置の更なる実施例が示されている。この装置は高圧タンク３０１ならびにこの高圧タンク３０１内部に設けられた中空空間３０２を含み、この中空空間３０２は媒体３０３を含む。さらに、高圧タンク３０１の端面３０４には超音波送受信器３０５、３０６が設けられており、これらの超音波送受信器３０５、３０６は送信器特性も受信器特性も有し、超音波送信器３０５乃至は超音波受信器３０６の間にはエレメント３１３が設けられており、このエレメント３１３は超音波送信器３０５から発生された圧力パルス３０７をこれを媒体３０３へと矢印３０８ａの方向に圧力パルス３０７ａとして伝える特性を有する。エレメント３１３と中空空間３０２との間にある境界層３１４では圧力パルス３０７の一部分が、すなわち矢印３０８ｂの方向に伝播する３０７ｂが直接反射され、この結果、発生された圧力パルス３０７ｂの応答パルスは超音波受信器３０６に更に別の圧力パルス３０７ａの応答パルスよりも早く入射する。

本発明の更に別の実施例が図５に図示されている。そこに図示された装置は同様に高圧タンク４０１を含み、この高圧タンク４０１は中空空間４０２を有し、この中空空間４０２の中には媒体４０３が設けられている。超音波送信器４０５乃至は受信器４０６は高圧タンク４０１の端面４０４に設けられている。超音波送信器４０５及び受信器４０６と高圧タンク４０１との間にはエレメント４１３が設けられており、このエレメント４１３は中間材料として設計されており、大きな所定の長さ膨張によって温度決定の測定のために定められている。これは例えば通常は非常に大きな長さ膨張を有するプラスチックでよい。このエレメント４１３の空間的寸法の変化は超音波送信器４０５から送出される方向４０８の圧力パルス４０７の伝播区間を変化させる。これによって温度が決定される。このエレメント４１３の材料はこの場合利用される温度領域に亘って音波速度ができるだけ温度に依存しない又は温度にほんの少ししか依存しないように選択されなければならない。長さ膨張ΔＬ（Ｔ）は超音波送信器４０５乃至は受信器４０６の裏面においてスプリングエレメント４１５によって補償され、この結果、機械的応力がエレメント４１３にも超音波送信器４０５乃至は受信器４０６にも作用しない。

図６に図示された本発明の装置の実施例では、高圧タンク５０１が設けられており、この高圧タンク５０１は中空空間５０２を有し、この中空空間５０２の中には媒体５０３が設けられている。高圧タンク５０１の端面５０４には超音波送信器５０５ならびに受信器５０６が設けられている。超音波送信器５０５は圧力パルス５０７ａを発生し、この圧力パルス５０７ａは矢印方向５０８ａに媒体５０３の内部を進んでゆく。さらに、圧力パルス５０７乃至はこの圧力パルスの成分５０７ｂが境界層５１４でも反射される。圧力パルス５０７ｂのここで発生された反射された信号は温度の計算のために使用される。

図７には本発明の装置の代替的な実施例が図示されている。ここに図示された装置は圧力タンク６０１を含み、この圧力タンク６０１は中空空間６０２を形成する。この中空空間６０２の中に媒体６０３が貯蔵されている。

高圧タンク６０１の端面６０４には超音波送信器６０５ならびに相応の受信器６０６が図示されており、これは圧力パルス６０７を矢印方向６０８に発生する。超音波送信器６０５乃至は受信器６０６と中空空間６０２との間にはサーモエレメント６２０が設けられており、このサーモエレメント６２０は媒体６０３の温度を測定する。直接的な温度を測定するために、このサーモエレメントが媒体まで非常に短い間隔６１９を有することに注目してほしい。

従来技術による圧力測定のためのセンサを有するコモンレールの構成における高圧タンクの概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第１の実施例の概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第２の実施例の概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第３の実施例の概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第４の実施例の概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第５の実施例の概略図を示す。 圧力及び温度測定のためのセンサを有する第６の実施例の概略図を示す。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１ 高圧タンク
２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２ 中空空間
３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３ 媒体
５、１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５ 超音波送信器
６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６ 超音波受信器
７、１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、２０７、３０７、３０７ａ、３０７ｂ、４０７、５０７、６０７ 圧力パルス、超音波パルス
９ 超音波送信器５に向かい合った側面
１１１ 中心線
４、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４ 端面
３１４ 境界層
４１３ 中間材料
４１５ スプリングエレメント
５１４ 境界層
ΔＬ 長さ膨張
６１９ 非常に短い間隔
６２０ サーモエレメント、温度センサ

Claims (8)

1. コモンレールシステム又はガソリン直接噴射における圧力及び温度の同時決定のための方法であって、
   高圧タンク（１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）の外側に圧力パルス（７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７）を発生するための超音波送信器（５、１０５、２０５、３０５、４０５、６０５）が設けられ、前記超音波パルス（７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７）が定められた区間Ｌを通過するために必要とする時間が測定され、パルス速度が計算され、これから媒体（３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３）内の圧力が決定される、コモンレールシステム又はガソリン直接噴射における圧力及び温度の同時決定のための方法において、
   超音波パルス（７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、３０７ａ、３０７ｂ）は同時に更に別のエレメントを励振し、この時間も同様に測定され、さらに温度が圧力測定と同時にもとめられることを特徴とする、コモンレールシステム又はガソリン直接噴射における圧力及び温度の同時決定のための方法。
2. 超音波受信器（１０５）又は送信器（１０６）は高圧タンク（１０１）の中心線（１１１）からずれて配置されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 超音波受信器（２０５）又は送信器（２０６）は端面（２０４）に広がって配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. エレメントは中間材料（４１３）であり、該中間材料（４１３）は相応の温度において長さ膨張（ΔＬ）を行う特性を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
5. 高圧タンク（６０１）と超音波送信器（６０５）乃至は超音波受信器（６０６）との間には温度センサ（６２０）が配置されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. コモンレールシステム又はガソリン直接噴射の高圧タンク内部の圧力及び温度の同時決定のための装置であって、高圧タンク（１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）の外側に圧力パルス（７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７）を発生するための超音波送信器（５、１０５、２０５、３０５、４０５、６０５）が製造され、前記超音波パルス（７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７）が定められた区間Ｌを通過するために必要とする時間が測定され、パルス速度が計算され、これから媒体（３、１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３）内の圧力が決定される、コモンレールシステム又はガソリン直接噴射の高圧タンク内部の圧力及び温度の同時決定のための装置において、
   さらに、超音波受信器（６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６）は、更に別の材料により喚起された更に別の圧力パルスを受信する特性を有することを特徴とする、コモンレールシステム又はガソリン直接噴射の高圧タンク内部の圧力及び温度の同時決定のための装置。
7. 超音波送信器（５、１０５、２０５、３０５、４０５、６０５）及び超音波受信器（６、１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６）は超音波を導く媒体を介して結合されていることを特徴とする、請求項６記載の装置。
8. 高圧タンク（１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１）内部には所定の反射面が取付けられていることを特徴とする、請求項６又は７記載の装置。

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