Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung eines dynamischen FIu- idverbrauchs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Messung eines dynamischen Fluidverbrauchs, insbesonders Kraftstoffverbrauches, mittels eines kontinuierlich arbeitenden Durchflusssensors mit variablem Druckabfall, vorzugsweise einem Massenstromsensor, wobei der Druck hinter dem Durchflusssensor ermittelt und zur Regelung der Fluidförderung herangezogen wird, sowie eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung eines dynamischen Fluidverbrauchs, insbesonders Kraftstoffverbrauchs, umfassend einen Tank, allenfalls eine Kon- ditionieranlage, sowie vorzugsweise eine regelbare Pumpe, einen kontinuierlich arbeitenden Durchflusssensor für die Flüssigkeit, vorzugsweise einen Coriolis-Sensor, sowie unmittelbar hinter dem Durchflusssensor einen Drucksensor, dessen Ausgang mit zumindest einer Regeleinrichtung für die Fluidströmung, beispielsweise einer regelbaren Pumpe, verbunden ist.
Für die Messung des Verbrauchs von Flüssigkeiten, speziell in der Anwendung für den Kraftstoffverbrauch von Motoren auf Prüfständen, sind diskontinuierlich betriebene Systeme auf Basis von Waagen bekannt. Sie weisen den Vorteil offener Systeme auf, wobei sowohl die abgegebene als auch die rückgeführte Kraftstoffmenge messtechnisch erfasst und bei der Angabe des Verbrauchs berücksichtigt wird. Als nachteilig erweisen sich derartige Waagen dadurch, dass sie immer wieder nachgefüllt werden müssen, und dadurch kein kontinuierlicher Messbetrieb möglich ist. Daher werden zur kontinuierlichen Messung des Kraftstoffverbrauchs oft Messgeräte herangezogen, die eine volumetrische Messung des Durchflusses durchführen. Mittels einer zusätzlichen Dichtemessung wird daraus die verbrauchte Kraftstoffmasse ermittelt, welche die eigentlich benötigte Messgröße darstellt. Eine direkte Messung des Masseverbrauches, die den Nachteil der zusätzlichen Dichtemessung vermeidet, lässt sich diskontinuierlich mit der Wägemethode sowie kontinuierlich mittels Coriolis- Sensoren realisieren.
Moderne Verbrennungsmotoren benötigen für einen ordnungsgemäßen Betrieb zumeist definierte und durchflussunabhängige Druckverhältnisse sowohl in der Kraftstoffzuleitung als auch in der gegebenenfalls vorhandenen Kraftstoffrückleitung. Daher wurde bereits in der AT 3 350 U2 oder auch der AT 6 117 U2 jeweils eine Anordnung zur Durchflussmessung bzw. eine Anordnung zur Kalibrierung einer Durchflussmessung mit jeweils nur einem Drucksensor hinter bzw. vor der Durchflussmessung vorgeschlagen, sowie mit einer Druckstabilisierungseinrichtung zur Stabilisierung des Vorlaufdrucks des Massestromsensors, um an der Anschlussstelle des Verbrauchers den geforderten geringen und konstanten Druck erzeugen zu können. Insbesonders hochfrequente, sprunghafte oder pulsartige Entnahmen müssen rasch berücksichtigt werden. Zur Druckstabilisierung wird daher bei den oben ge-
nannten kontinuierlichen Verfahren der Kraftstoff messung stromabwärts vom eigentlichen Durchflusssensor Druckreguliereinrichtungen (Druckregler) angebracht, die den durchflussabhängigen Druck am Ausgang des Meßsystems auf einen konstanten Ausgangsdruck abre- geln. Diese mechanischen Druckregler wirken jedoch wie eine „hydraulische Diode", d.h. dass das strömende Medium den Regler nur in eine Richtung, nämlich stromabwärts durchströmen kann und ein mit einem solchen Druckregler aufgebautes Messsystem kein offenes System darstellt. Für den Fall der Rückführung von Kraftstoff von der Einspritzanlage in das Meßsystem oder thermischer Expansion des Kraftstoffes sind aufwendige Druckausgleichseinrichtungen vorgesehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die bei möglichst einfachem Aufbau eine kontinuierliche, genaue und auch zeitlich hoch auflösende Verbrauchsmessung und die hochdynamische Bestimmung des Durchflusswertes ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist das eingangs beschriebene Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zu zumindest einem Zeitpunkt auch der Druck unmittelbar vor dem Durchflusssensor, die Differenz der beiden Druckwerte und aus dieser Differenz ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt werden. Damit ergibt sich, unter Heranziehung einer ohnedies für die Druckregelung notwendigen Druckmessung, eine Kombination aus einer sehr genauen langfristigen Durchflussmessung mit einer hochdynamischen Ermittlung des Durchflusswertes durch die zeitlich hochauflösbaren Drucksignale.
Eine vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass laufend mit vorgebbarer zeitlicher Auflösung der Druck hinter dem Durchflusssensor, der Druck unmittelbar vor dem Durchflusssensor, die Differenz der beiden Druckwerte und aus dieser Differenz ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt werden. Damit kann die Auflösung des aus den Druckmessungen bestimmten Durchflusswertes eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass mittels des Durchflusssensors ein mittlerer Fluidverbrauch bestimmt, mit dem Wert für den Durchfluss des Fluids aus der Differenz der Druckwerte verknüpft und derart eine Plausibilitätsprüfung für die Messung durchgeführt wird. Die sehr genaue Messung kann aufgrund der redundanten Durchflussbestimmung auch gut im Sinn der Mess-Plausibilität überprüft werden.
Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform mittels des Durchflusssensors ein mittlerer Fluidverbrauch bestimmt, mit dem Wert für den Durchfluss des Fluids aus der Differenz der Druckwerte verknüpft und derart weitere Fluidparameter ermittelt werden, besteht die Möglichkeit die beiden unterschiedlichen Durchflussmessungen zur Ermittlung weiterer Fluidparameter, z.B. Dichte oder Viskosität, heranzuziehen.
Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass das Signal des Durchflusssensors einer Tiefpassfilterung und das Signal der Differenz der beiden Druckwerte einer Hochpassfilterung unterzogen werden, und die gefilterten Signale anschließend zu einem Signal großer Frequenzbandbreite zusammengeführt werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung der Durchflussmessung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Drucksensor unmittelbar vor dem Durchflusssensor vorgesehen ist, wobei beide Drucksensoren mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, in welcher zu zumindest einem Zeitpunkt die Differenz der mittels der beiden Drucksensoren ermittelten Werte bestimmt und aus dieser Differenz ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt wird.
Um einen gegenüber dem Signal des Durchflusssensors höher dynamischen Wert ü- ber die Differenzdruckmessung ermitteln zu können, kommen gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal Drucksensoren mit schnellerer Sprungantwort als jener des Durchflusssensors zum Einsatz.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in der Auswerteeinheit laufend mit vorgebbarer zeitlicher Auflösung die Differenz der beiden Druckwerte und aus dieser Differenz ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in der Auswerteeinheit aus den Signalen des Durchflusssensors ein mittlerer Fluidverbrauch bestimmt, mit dem Wert für den Durchfluss des Fluids aus der Differenz der Druckwerte verknüpft und derart eine Plausibilitätsprüfung für die Messung durchgeführt.
Eine nochmalige Erweiterung des Einsatzgebietes ist für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gegeben, bei welcher in der Auswerteeinheit aus den Signalen des Durchflusssensors ein mittlerer Fluidverbrauch bestimmt, mit dem Wert für den Durchfluss des Fluids aus der Differenz der Druckwerte verknüpft und derart weitere Fluidparameter ermittelt werden.
Um ein Durchflusssignal mit sehr hoher Bandbreite zu erzielen, kann weiters vorgesehen sein, dass im Messkanal des Durchflusssensors ein Tiefpassfilter und im Messkanal des Signals für die Differenz der Druckwerte ein Hochpassfilter realisiert ist, wobei in der Auswerteeinheit ein Signal aus den gefilterten Signalen zusammengesetzt wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die effektiven Filtercharakteristika bis hin zu einer oberen Grenzfrequenz einen konstanten Wert haben, welcher Wert vorzugsweise bei 1 liegt.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die Zeichnungsfigur ein schematisches Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als kontinuierliche Kraftstoff-Verbrauchsmessanlage, insbesondere für Motor-Prüfstände.
Über eine Leitung A und ein vorzugsweise elektromagnetisch betätigbares Füllventil 1 wird ein Tank 2, als Reservoir mit der Flüssigkeit, d.h. dem Kraftstoff, versorgt. Der Tank 2 weist weiter eine Entlüftung 3 und einen mit dem Füllventil 1 gekoppelten Füllstandssensor 4 auf.
Vom Tank 2 wird der Kraftstoff mittels einer vorzugsweise regelbaren Kraftstoffpumpe 6 über eine Leitung B dem kontinuierlich arbeitenden Durchflusssensor 7, vorzugsweise einem Coriolis-Sensor, zugeführt. Danach gelangt der Kraftstoff über vorzugsweise ein Abschaltventil 8 zur Abgabestelle, an welcher der Motor als Verbraucher (nicht dargestellt) angeschlossen wird und an welcher der Kraftstoff mit einem bestimmten, vorgegebenen Druck zur Verfügung stehen soll.
Zwischen dem Durchflusssensor 7 und dem Abschaltventil 8 zweigt eine Leitung C ab, welche zum Regel-Eingang eines beispielsweise mechanisch-hydraulischen Druckreglers 9 führt. Über den Druckregler 9 wird nun in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung hinter dem Durchflusssensor 7 der Durchfluss durch eine Leitung D geregelt, welche zwischen der Kraftstoffpumpe 6 und dem Durchflusssensor 7 von der Leitung B abzweigt und durch den Druckregler 9 zum Kraftstofftank 2 zurückführt. Damit ist ein Regelkreis mit Rückkopplung realisiert, in welchem jede Druckveränderung hinter dem Durchflusssensor 7 gegenüber dem am Druckregler 9 einstellbaren Vorgabewert in eine gleichsinnige Veränderung desjenigen Flüssigkeitsstromes umgesetzt wird, der durch die Leitung C vor dem Durchflusssensor 7 aus der Leitung B abgezweigt und ohne Durchströmung dieses Sensors 7 wieder in den Tank 2 rückgeführt wird. Mit dieser Mengenänderung wird aber auch der Vordruck vor dem Durchflusssensor 7 geregelt, und zwar gegensinnig zur Druckänderung hinter dem Durchflusssensor 7, so dass die Druckabweichung vom eingestellten Wert schnell und sicher ausgeregelt werden kann. Allenfalls könnte eine Druckeinstellung an der Abgabestelle an den Verbraucher auch über eine Regelung der Pumpe 6 realisiert werden.
Zwischen der Pumpe 6 und dem Durchflusssensor 7 ist ein erster Drucksensors 10 zur Ermittlung des Druckes in der Leitung B vorgesehen. Ein zweiter Drucksensor 11 ist zur Bestimmung des Drucks im Leitungssystem hinter dem Durchflusssensor 7 vorgesehen. Die beiden Drucksensoren 10, 11 haben vorzugsweise eine schnellere Sprungantwort auf als der zum Einsatz kommende Durchflusssensor 7. Beide Drucksensoren 10, 11 sind mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden, in welcher zu zumindest einem Zeitpunkt die Differenz der mittels der beiden Drucksensoren 10, 11 ermittelten Werte bestimmt und aus dieser Differenz ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt wird.
Durch fest verdrahtete Schaltungen oder realisiert über Software-Steuerung kann in der Auswerteeinheit beispielsweise laufend mit vorgebbarer zeitlicher Auflösung die Differenz der beiden Druckwerte der Sensoren 10, 11 ermittelt werden, wobei aus dieser Differenz
dann weiter ein Wert für den Durchfluss des Fluids ermittelt werden kann. Auch die Bestimmung eines mittleren Fluidverbrauchs in der Auswerteeinheit 12 aus den Signalen des Durchflusssensors 7 und dessen Verknüpfung mit dem Durchflusswert aus der Differenz der Druckwerte zur Plausibilitätsprüfung für die Messung könnte vorgesehen sein.
Andererseits ist auch die Möglichkeit gegeben, dass in der Auswerteeinheit 12 aus den Signalen des Durchflusssensors 7 ein mittlerer Fluidverbrauch bestimmt, mit dem Wert für den Durchfluss des Fluids aus der Differenz der Druckwerte der Sensoren 10, 11 verknüpft und derart weitere Fluidparameter ermittelt werden, beispielsweise die Dichte oder die Viskosität des Fluids.
Vorteilhafterweise sind im Messkanal des Durchflusssensors 7 ein Tiefpassfilter und im Messkanal des Signals für die Differenz der Druckwerte der Sensoren 10, 11 ein Hochpassfilter realisiert. In der Auswerteeinheit 12 kann dann aus den gefilterten Einzelsignalen ein Signal mit hoher Bandbreite zusammengesetzt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die effektiven Filtercharakteristika bis hin zu einer oberen Grenzfrequenz einen konstanten Wert haben, welcher Wert vorzugsweise bei 1 liegt.
Patentansprüche: