WO2015197575A1 - Verfahren zur messung von zeitlich aufgelösten durchflussvorgängen - Google Patents

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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F5/00—Measuring a proportion of the volume flow

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring time-resolved flow processes with an inlet into which the fluid to be measured flows, an outlet from which the fluid to be measured flows, a rotary displacer arranged between inlet and outlet, via which fluid is conveyed Pressure difference sensor, which is arranged in a bypass line to the rotary displacer and which consists of a piston arranged in a measuring chamber, a displacement sensor, via which a deflection of the piston in the measuring chamber is measured, a drive motor, via which the rotary displacer is driven, a rotation angle sensor , via which a rotational speed of the drive motor or of the rotary displacer is measured, wherein the rotational speed of the drive motor is regulated as a function of the pressure difference applied to the translatory pressure difference sensor.
  • DE-AS 1 798 080 describes an electronically controlled flow meter with an inlet and an outlet, between which a rotary displacer in the form of a gear pump and in a line parallel to the displacer a piston is arranged in a measuring chamber.
  • a rotary displacer in the form of a gear pump and in a line parallel to the displacer a piston is arranged in a measuring chamber.
  • the speed of the gear pump is continuously readjusted due to this signal in such a way that the piston is always returned to its original position. From the measured via an encoder number of revolutions or partial revolutions of the gear pump and the known delivery volume of the gear pump in one revolution so the flow is calculated within a predetermined time interval.
  • the time intervals used can be chosen to be relatively small, an increased resolution can not be achieved.
  • DE 33 02 059 AI discloses such a constructed flow.
  • information about the rotational speed of the injection pump, the pulse height and the number of outlets are additionally made available to a computing unit. A statement on the flow rate is not possible without this information.
  • the flow in the bypass being determined from a measured displacement of the plunger and the flow through the displacer is determined from a measured speed of the displacer or the drive motor, it is possible to represent the exact curves of the flow in time resolved, although the displacer is readjusted steadily.
  • the actual displacement of the displacer and the actual displacement of the piston changes in flow are continuously detected without the need for additional input, for example, to actuate or open injection valves. In addition to a direct measurement of the displacer flow, this can also be measured indirectly via the speed of the displacer.
  • an instantaneous speed of the drive motor or the rotary displacer is measured via the rotation angle sensor, and from the instantaneous speed and a displacement of the displacer per revolution, the instantaneous flow through the Displacer calculated. If the flow rate of the displacer is known during one revolution and, on the other hand, the velocity is known, a flow rate at the pump can be determined for any small time intervals. For this purpose, the displaced volume on the piston is added in the selected time interval, whereby the desired total flow can be reliably determined.
  • the instantaneous speed is determined via an optical coder coupled to the displacer or the drive motor by determining the time length of the coder pulses. By measuring the time length of these encoder pulses, the speed and thus the instantaneous flow at the rotary displacer can be determined with high accuracy.
  • the lengths of the encoder pulses are measured by means of a timer.
  • This timer is fed with a high clock frequency of for example 66MHz.
  • the resulting clock pulses during a Kodierimpulses be counted accordingly, so that for each pulse of the encoder, the speed is detected and thus a short measurement time is achieved in the determination of the speed of the displacer.
  • the timer is preferably operated at a clock frequency of at least 10 MHz, so that fast pulsating currents can be detected.
  • the optical encoder on two Kodierspuren on the two 90 ° offset sensor signals are generated, which are read to measure the current speed in a quadrature counter and then accumulated and numerically differentiated.
  • the instantaneous rotational speed is determined via at least two magnetoresistive sensors coupled to the displacer or the drive motor, which correspond with a magnet which rotates with the drive motor or the displacer and generate two sensor signals which are offset by 90 ° from one another.
  • An absolute rotation angle can likewise be determined via these sensors, since a position of the motor or of the displacer which is unambiguous relative to the rotational angle position can be determined on the basis of the two mutually offset sensors.
  • the rotation angle sensor is an absolute rotation angle encoder and in a computing unit a table with displacement or motor angle-based support points is deposited, wherein defined absolute rotation angle ranges of the displacer is assigned a volume displaced in this area and from this volume and the determined speed of the displacer a current flow through the displacer is calculated.
  • each individual angular range of the rotary displacer can be assigned its specific delivery volume.
  • assembly tolerances or tooth form errors do not affect the determined flow through the rotary displacer.
  • the actual delivery rates are used as the basis for calculating the flow rate.
  • Figure 1 shows a schematic of the basic structure of a flowmeter for performing the method.
  • Figures 2a) to c) show a graphical representation of the calculation of the flow.
  • the flowmeter shown in FIG. 1 consists of an inlet 10, via which a fluid to be measured, in particular a fuel, flows via a flow-generating device, in particular a high-pressure fuel pump and at least one injection valve, into a first line 12 of the measuring device.
  • a rotary displacer 14 is arranged in the form of a double gear pump. Downstream of the displacer 14, the first conduit 12 terminates at an outlet 16.
  • the gear pump 14 is driven by a drive motor 18 via a clutch or a transmission.
  • first line 12 branches off upstream of the rotary displacer 14 from a bypass line 20, which opens downstream of the rotary displacer 14 back into the first conduit 12 and corresponding to how the first conduit is fluidly connected to the inlet 10 and the outlet 16.
  • bypass line 20 is a measuring chamber 22, in which in turn a piston 24 is arranged freely displaceable, wherein the piston 24 has the same specific gravity as the measuring fluid, so the fuel and the measuring chamber is cylindrically shaped and has an inner diameter which in the Substantially corresponds to the outer diameter of the piston 24.
  • This piston 24 in the measuring chamber 22 serves as a translatory differential pressure sensor.
  • a displacement sensor 26 is arranged, which is in operative connection with the piston 24 and in which by the deflection of the piston 24 a dependent on the size of the deflection of the piston 24 voltage is generated.
  • This displacement sensor 26 attached to the measuring chamber 22 is, in particular, a magnetoresistive sensor, via which the field strength of a magnet 28 acting on it is converted into a voltage.
  • the magnet 28 is fixed in the center of gravity of the piston 24.
  • the displacement sensor 26 is connected to a control unit 30, which contains a computing unit 31, which receives the values of this displacement sensor 26 and transmits corresponding control signals to the drive motor 18, which is as much as possible controlled so that the piston 24 is always in a defined starting position.
  • a control unit 30 which contains a computing unit 31, which receives the values of this displacement sensor 26 and transmits corresponding control signals to the drive motor 18, which is as much as possible controlled so that the piston 24 is always in a defined starting position.
  • the pump speed is increased and vice versa.
  • the deflection of the piston 24 or the volume displaced by it in the measuring chamber 22 by means of a transfer function in a desired delivery volume of the gear pump 14 or a rotational speed of the drive motor 18 is converted and energized the drive motor 18 accordingly.
  • a pressure sensor 32 and a temperature sensor 34 are arranged between the piston 24 and the injection device, which continuously measure the pressures and temperatures occurring in this area and in turn the control unit 30 to account for changes in density in the calculation can.
  • the flow of the measurements takes place in such a way that, in the calculation of an overall flow 46 to be determined in the arithmetic unit 31, both a flow 42 formed in the bypass line 20 by the movement or position of the piston 24 and the volume displaced thereby in the bypass line 20 and also an actual flow Flow 44 of the gear pump 14 are taken into account in a fixed time interval and both flow rates 42, 44 are added together to determine the total flow 46.
  • the determination of the flow 42 on the piston 24 takes place in the computing unit 31, which is connected to the displacement sensor 26, the deflection 40 of the piston 24 is differentiated and then multiplied by the base area of the piston 24, so that a volume flow in the Bypass line 20 in the time interval results.
  • the flow 44 is not determined by the gear pump 14 and thus in the line 12 from the determined control data for controlling the gear pump 14, but calculated on the speed, which is measured directly on the gear pump 14 or the drive motor 18 ,
  • This measurement takes place, for example, via a rotation angle sensor 36, which is designed as an optical encoder 38 and is likewise connected to the arithmetic unit 31.
  • a rotation angle sensor 36 which is designed as an optical encoder 38 and is likewise connected to the arithmetic unit 31.
  • this encoder 38 a certain number of pulses per revolution is output, so that gives a resolution dependent on the number of pulses.
  • the time is counted up during a coder pulse by means of a timer.
  • a timer can be operated, for example, with a clock frequency of 66 MHz, so that a high resolution arises. Good results are achieved from a clock frequency of about 10 MHz.
  • the speed is known in a narrow time interval, the flow through the gear pump 14 by means of this speed and the known flow rate in one revolution of the gear pump 14 can be calculated.
  • a quadrature counter instead of the timer.
  • two coding tracks are formed on the optical encoder, which generate two mutually offset by 90 ° signals. These signals are read into a quadrature counter and then accumulated its count.
  • By a following numerical differentiation also results in the current speed of the displacer 14 and the drive motor 18.
  • About the quadrature counter and a reverse rotation of the gear pump 14 is determined, since the counter then counts backwards. Thus, errors in strong pulsations are avoided, which can lead to such a reverse rotation of the gear pump 14.
  • the values of the timer and the quadrature counter are likewise supplied to the arithmetic unit 31.
  • the optical encoder 38 as a rotation angle sensor 36 to use two mutually offset magnetoresistive sensors that communicate with a mounted on a shaft of the drive motor 18 or the gear pump 14 permanent magnet, the movement corresponding to two staggered continuous voltage waveforms in the Generates sensors that can be read out. Two such, for example, by 90 ° Staggered signals also allow the determination of the absolute rotation angle at any time and thus an accurate measurement of the instantaneous speed.
  • FIG. 2a shows first the measured deflection 40 of the piston 24 and a flow 41 resulting from the discharge of the deflection 40 in the measuring chamber 22 or the bypass 20 in mm 3 / s in the presence of an oscillating flow 48.
  • FIG. 2 b) shows a flow 42 in the bypass line 20 converted from the flow 41 into l / h and the measured flow 44 of the gear pump 14. Summation of these two curves results in the course shown in FIG. 2 c) for the resulting flow 46. which corresponds exactly to the impressed flow 48.

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Abstract

Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen mit einem rotatorischen Verdränger (14) sowie einem parallel geschalteten Druckdifferenzaufnehmer in Form eines in einer Messkammer (22) angeordneten Kolben (24), einem Wegsensor (26), über den eine Auslenkung des Kolbens (24) in der Messkammer (22) gemessen wird, einem Antriebsmotor (18), über den der rotatorische Verdränger (14) angetrieben wird, einem Drehwinkelsensor (36), über den eine Drehzahl des Antriebsmotors (18) oder des rotatorischen Verdrängers (14) gemessen wird, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors (18) in Abhängigkeit der am translatorischen Druckdifferenzaufnehmer anliegenden Druckdifferenz geregelt wird, sind bekannt. Es besteht jedoch das Problem, dass oszillierende oder pulsierende Strömungen nicht kontinuierlich aufgenommen werden können. Um dieses Problem zu lösen, wird vorgeschlagen, dass der zu ermittelnde Gesamtdurchfluss (46) mittels Summation des momentanen Durchflusses (44) durch den Verdränger (14) sowie des momentanen Durchflusses (42) in der Umgehungsleitung (20) aufgrund der Auslenkung des Kolbens (24) berechnet wird, wobei der Durchfluss in der Umgehungsleitung (20) aus einer gemessenen Auslenkung des Kolbens (24) bestimmt wird und der Durchfluss durch den Verdränger (14) aus einer gemessenen Drehzahl des Verdrängers (14) oder des Antriebsmotors (18) bestimmt wird.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen mit einem Einlass, in den das zu messende Fluid strömt, einem Auslass, aus dem das zu messende Fluid ausströmt, einem zwischen Einlass und Auslass angeordneten rotatorischen Verdränger, über den Fluid gefördert wird, einem Druckdifferenzaufnehmer, der in einer Umgehungsleitung zum rotatorischen Verdränger angeordnet ist und der aus einem in einer Messkammer angeordneten Kolben besteht, einem Wegsensor, über den eine Auslenkung des Kolbens in der Messkammer gemessen wird, einem Antriebsmotor, über den der rotatorische Verdränger angetrieben wird, einem Drehwinkelsensor, über den eine Drehzahl des Antriebsmotors oder des rotatorischen Verdrängers gemessen wird, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors in Abhängigkeit der am translatorischen Druckdifferenzaufnehmer anliegenden Druckdifferenz geregelt wird.
Derartige Systeme sind seit vielen Jahren bekannt und werden beispielsweise zur Einspritzmengenmessung bei Verbrennungsmotoren verwendet.
So wird in der DE-AS 1 798 080 ein elektronisch gesteuertes Durchflussmessgerät mit einem Einlass und einem Auslass beschrieben, zwischen denen ein rotatorischer Verdränger in Form einer Zahnradpumpe sowie in einer zum Verdränger parallelen Leitung ein Kolben in einer Messkammer angeordnet ist. Zur Bestimmung der Durchflussmenge wird die Auslenkung des Kolbens in der Messkammer mittels eines optischen Sensors gemessen. Die Drehzahl der Zahnradpumpe wird aufgrund dieses Signals stetig nachgeregelt und zwar derart, dass der Kolben möglichst immer in seine Ausgangsposition zurückgeführt wird. Aus der über einen Kodierer gemessenen Anzahl der Umdrehungen oder Teilumdrehungen der Zahnradpumpe sowie dem bekannten Fördervolumen der Zahnradpumpe bei einer Umdrehung wird so der Durchfluss innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls berechnet. Die verwendeten Zeitintervalle können zwar relativ klein gewählt werden, jedoch ist eine erhöhte Auflösung nicht erreichbar.
Auch die DE 33 02 059 AI offenbart ein derartig aufgebautes Durchflussgerät. Um Aussagen bezüglich der Fördermengen, der Einspritzanzahl und des Spritzbeginns machen zu können, werden einer Recheneinheit zusätzlich Informationen zur Drehzahl der Einspritzpumpe, der Impulshöhe sowie der Anzahl der Auslässe zur Verfügung gestellt. Eine Aussage zum Durchflussverlauf ist ohne diese Angaben nicht möglich.
Ein weiteres Konzept zur Messung von Durchflussvorgängen wird in der DE 103 31 228 B3 beschrieben. Der Aufbau des Durchflussmessgerätes ist erneut im Wesentlichen gleich. Zur Bestimmung der Einspritzmengenverläufe wird die Zahnradpumpe vor Beginn der Einspritzung jeweils auf eine konstante Drehzahl eingestellt, so dass anschließend die Bewegung des Kolbens gemessen wird und zur Bestimmung der Einspritzverläufe genutzt wird. Die Einstellung einer konstanten Fördermenge ist jedoch bei kontinuierlichen Durchflussmessungen nicht möglich, da sich andernfalls bei sich stark ändernden Durchflüssen eine zu große Verschiebung des Kolbens ergeben würde.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen zur Verfügung zu stellen, die einerseits kontinuierlich betrieben werden können und dabei eine hohe Auflösung des gemessenen Durchflusses ermöglichen, ohne zusätzliche Software oder Informationen über den Zustand angeschlossener Bauteile zu benötigen. So sollen beispielsweise pulsierende Strömungen identifiziert werden können. Ebenso soll ein Rücklauf des Verdrängers oder ungleichmäßig ausgeformte Zahnradzähne oder ein ungleichmäßiger Lauf des Verdrängers durch Reibung keine Fehler beim ermittelten Durchfluss verursachen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der zu ermittelnde Gesamtdurchfluss mittels Summation des momentanen Durchflusses durch den Verdränger sowie des momentanen Durchflusses in der Umgehungsleitung aufgrund der Auslenkung des Kolbens berechnet wird, wobei der Durchfluss in der Umgehungsleitung aus einer gemessenen Auslenkung des Kolbens bestimmt wird und der Durchfluss durch den Verdränger aus einer gemessenen Drehzahl des Verdrängers oder des Antriebsmotors bestimmt wird, wird es möglich, die genauen Verläufe des Durchflusses zeitlich aufgelöst darzustellen, obwohl der Verdränger stetig nachgeregelt wird. Durch die Verwendung des tatsächlich vorhandenen Fördervolumens des Verdrängers und der tatsächlichen Verschiebung des Kolbens, werden kontinuierlich Änderungen im Durchfluss erfasst, ohne dass zusätzliche Eingangswerte beispielsweise zur Betätigung oder Öffnungszeiten von Einspritzventilen erforderlich sind. Neben einer direkten Messung des Verdrängerdurchflusses kann dieser auch indirekt über die Drehzahl des Verdrängers gemessen werden.
Vorzugsweise wird über den Drehwinkelsensor eine momentane Drehzahl des Antriebsmotors oder des rotatorischen Verdrängers gemessen und aus der momentanen Drehzahl und einem Fördervolumen des Verdrängers pro Umdrehung der momentane Durchfluss durch den Verdränger berechnet. Ist der Durchfluss des Verdrängers bei einer Umdrehung bekannt undist andererseits die Geschwindigkeit bekannt, so kann für beliebig kleine Zeitintervalle ein Durchfluss an der Pumpe bestimmt werden. Hierzu wird das am Kolben verdrängte Volumen im gewählten Zeitintervall addiert, wodurch der gewünschte Gesamtdurchfluss zuverlässig bestimmt werden kann.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform wird die momentane Drehzahl über einen mit dem Verdränger oder dem Antriebsmotor gekoppelten optischen Kodierer bestimmt, indem die zeitliche Länge der Kodierer-Impulse ermittelt wird. Durch die Messung der zeitlichen Länge dieser Kodierer-Impulse kann die Drehzahl und damit der momentane Durchfluss am rotatorischen Verdränger mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
In einer hierzu wiederum weiterführenden Ausführungsform werden die Längen der Kodierer-Impulse mittels eines Timers gemessen. Dieser Timer wird mit einer hohen Taktfrequenz von beispielsweise 66MHz gespeist. Die anfallenden Taktpulse während eines Kodierimpulses werden entsprechend gezählt, so dass für jeden einzelnen Impuls des Kodierers die Drehzahl feststellbar ist und somit eine kurze Messzeit bei der Bestimmung der Drehzahl des Verdrängers erreicht wird.
Der Timer wird dabei vorzugsweise mit einer Taktfrequenz von mindestens 10MHz betrieben, so dass auch schnell pulsierende Strömungen nachgewiesen werden können.
In einer vorteilhaften alternativen Ausbildung der Erfindung weist der optische Kodierer zwei Kodierspuren auf, über die zwei um 90° versetzte Sensorsignale erzeugt werden, die zur Messung der momentanen Drehzahl in einen Quadraturzähler eingelesen werden und anschließend akkumuliert und numerisch differenziert werden. Durch Verwendung der beiden versetzten Sensorsignale kann eine Absolutposition sowie eine momentane Drehrichtung des Antriebsmotors beziehungsweise des rotatorischen Verdrängers stetig ermittelt werden. Daraus folgend lässt sich erneut mit hoher Genauigkeit der momentane Durchfluss berechnen. Zusätzlich sind auch entgegen gerichtete Drehbewegungen des Verdrängers zu identifizieren.
In einer alternativen Ausgestaltung wird die momentane Drehzahl über zumindest zwei mit dem Verdränger oder dem Antriebsmotor gekoppelte magnetoresisitive Sensoren bestimmt, die mit einem Magneten, der mit dem Antriebsmotor oder dem Verdränger umläuft, korrespondieren und zwei Sensorsignale erzeugen, die um 90° versetzt zueinander sind. Über diese Sensoren kann ebenfalls ein Absolutdrehwinkel bestimmt werden, da aufgrund der zwei zueinander versetzten Sensoren ein zur Drehwinkelposition eindeutige Stellung des Motors oder des Verdrängers bestimmt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist der Drehwinkelsensor ein Absolutdrehwinkelkodierer und in einer Recheneinheit wird eine Tabelle mit Verdränger- oder Motorwinkelbasierten Stützstellen hinterlegt, wobei definierten Absolutdrehwinkelbereichen des Verdrängers ein in diesem Bereich verdrängtes Volumen zugeordnet wird und aus diesem Volumen und der ermittelten Drehzahl des Verdrängers ein momentaner Durchfluss durch den Verdränger berechnet wird. Auf diese Weise kann jedem einzelnen Winkelbereich der rotatorischen Verdrängers sein spezifisches Fördervolumen zugeordnet werden. Somit beeinflussen Montagetoleranzen oder Zahnformfehler nicht den ermittelten Durchfluss durch den rotatorischen Verdränger. Es werden somit für alle Drehwinkelbereiche des rotatorischen Verdrängers die konkret vorhandenen Fördermengen bei der Berechnung des Durchflusses zugrunde gelegt. Es wird somit ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem zeitlich aufgelöste Durchflussvorgänge mit hoher Genauigkeit und kontinuierlich ermittelt werden können. Dabei werden auch Fehler in der Durchflussdatenberechnung vermieden, wenn Oszillationen des Durchflusses auftreten, ungleichmäßige Fördermengen der Pumpe vorliegen oder starke Pulsationen, die gegebenenfalls zu einem Rückströmen führen, auftreten. Bei alledem werden keine zusätzlichen Sensoren zur Ermittlung oder Übertragung von externen Daten benötigt. Das System arbeitet somit autark.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der Figuren im Folgenden beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Schema des prinzipiellen Aufbaus eines Durchflussmessgerätes zur Durchführung des Verfahrens.
Die Figuren 2a) bis c) zeigen eine graphische Darstellung der Berechnung des Durchflusses.
Das in Figur 1 dargestellte Durchflussmessgerät besteht aus einem Einlass 10, über den ein zu messendes Fluid, insbesondere ein Kraftstoff, über eine einen Durchfluss erzeugende Vorrichtung, insbesondere einer Kraftstoffhochdruckpumpe und zumindest einem Einspritzventil, in eine erste Leitung 12 des Messgerätes strömt. In dieser ersten Leitung 12 ist ein rotatorischer Verdränger 14 in Form einer Doppelzahnradpumpe angeordnet. Stromabwärts des Verdrängers 14 endet die erste Leitung 12 an einem Auslass 16. Die Zahnradpumpe 14 wird über eine Kupplung oder ein Getriebe von einem Antriebsmotor 18 angetrieben.
Von der ersten Leitung 12 zweigt stromaufwärts des rotatorischen Verdrängers 14 eine Umgehungsleitung 20 ab, die stromabwärts des rotatorischen Verdrängers 14 wieder in die erste Leitung 12 mündet und entsprechend wie die erste Leitung fluidisch mit dem Einlass 10 und dem Auslass 16 verbunden ist. In dieser Umgehungsleitung 20 befindet sich eine Messkammer 22, in der wiederum ein Kolben 24 frei verschiebbar angeordnet ist, wobei der Kolben 24 das gleiche spezifische Gewicht wie das Messfluid, also der Kraftstoff aufweist und die Messkammer zylindrisch geformt ist und einen Innendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Kolbens 24 entspricht. Dieser Kolben 24 in der Messkammer 22 dient als translatorischer Druckdifferenzaufnehmer. Dies bedeutet, dass bei Anliegen einer Druckdifferenz zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Kolbens 24 eine Auslenkung des Kolbens 24 aus seiner Ruhestellung erfolgt. Entsprechend ist die Auslenkung des Kolbens 24 ein Maß für die anliegende Druckdifferenz. An der Messkammer 22 ist ein Wegsensor 26 angeordnet, der in Wirkverbindung mit dem Kolben 24 steht und in dem durch die Auslenkung des Kolbens 24 eine von der Größe der Auslenkung des Kolbens 24 abhängige Spannung erzeugt wird. Dieser an der Messkammer 22 befestigte Wegsensor 26 ist insbesondere ein magnetoresistiver Sensor, über den die auf ihn wirkende Feldstärke eines Magneten 28 in eine Spannung umgewandelt wird. Hierzu ist der Magnet 28 im Schwerpunkt des Kolbens 24 befestigt.
Der Wegsensor 26 ist mit einer Steuereinheit 30, die eine Recheneinheit 31 enthält, verbunden, welche die Werte dieses Wegsensors 26 aufnimmt und entsprechende Steuersignale dem Antriebsmotor 18 übermittelt, der möglichst derart angesteuert wird, dass sich der Kolben 24 immer in einer definierten Ausgangsstellung befindet. Dies bedeutet, dass bei Auslenkung des Kolbens 24 nach rechts in Abhängigkeit der Größe dieser Auslenkung die Pumpendrehzahl erhöht wird und umgekehrt. Hierzu wird die Auslenkung des Kolbens 24 beziehungsweise das durch ihn verdrängte Volumen in der Messkammer 22 mittels einer Übertragungsfunktion in ein gewünschtes Fördervolumen der Zahnradpumpe 14 beziehungsweise eine Drehzahl des Antriebsmotors 18 umgerechnet und der Antriebsmotor 18 entsprechend bestromt. In der Messkammer 22 sind zwischen dem Kolben 24 und der Einspritzvorrichtung ein Drucksensor 32 sowie ein Temperatursensor 34 angeordnet, die kontinuierlich die in diesem Bereich auftretenden Drücke und Temperaturen messen und wiederum der Steuereinheit 30 zuführen, um Änderungen der Dichte bei der Berechnung berücksichtigen zu können.
Der Ablauf der Messungen erfolgt derart, dass bei der Berechnung eines zu ermittelnden Gesamtdurchflusses 46 in der Recheneinheit 31 sowohl ein durch die Bewegung beziehungsweise Stellung des Kolbens 24 und das damit verdrängte Volumen in der Messkammer 22 entstehender Durchfluss 42 in der Umgehungsleitung 20 als auch ein tatsächlicher Durchfluss 44 der Zahnradpumpe 14 in einem festgelegten Zeitintervall berücksichtigt werden und beide Durchflüsse 42, 44 zur Ermittlung des Gesamtdurchflusses 46 miteinander addiert werden.
Die Ermittlung des Durchflusses 42 am Kolben 24 erfolgt, indem in der Recheneinheit 31, die mit dem Wegsensor 26 verbunden ist, die Auslenkung 40 des Kolbens 24 differenziert wird und anschließend mit der Grundfläche des Kolbens 24 multipliziert wird, so dass sich ein Volumenstrom in der Umgehungsleitung 20 im Zeitintervall ergibt.
Im Gegensatz zu bekannten Ausführungen wird jedoch der Durchfluss 44 durch die Zahnradpumpe 14 und somit in der Leitung 12 nicht aus den ermittelten Steuerdaten zur Regelung der Zahnradpumpe 14 bestimmt, sondern über die Drehzahl berechnet, welche direkt an der Zahnradpumpe 14 oder am Antriebsmotor 18 gemessen wird.
Diese Messung erfolgt beispielsweise über einen Drehwinkelsensor 36, der als optischer Kodierer 38 ausgeführt ist und ebenfalls mit der Recheneinheit 31 verbunden ist. Über diesen Kodierer 38 wird eine bestimmte Anzahl an Impulsen pro Umdrehung ausgegeben, so dass sich eine zur Anzahl der Impulse abhängige Auflösung ergibt. Um die Drehzahl mit einer besseren Auflösung bestimmen zu können, wird erfindungsgemäß mittels eines Timers die Zeit während eines Kodierer- Impulses hochgezählt. Ein solcher Timer kann beispielsweise mit einer Taktfrequenz von 66 MHz betrieben werden, so dass eine hohe Auflösung entsteht. Gute Ergebnisse werden ab einer Taktfrequenz von etwa 10 MHz erzielt. Ist nun die Drehzahl in einem engen Zeitintervall bekannt, so kann der Durchfluss durch die Zahnradpumpe 14 mittels dieser Drehzahl und der bekannten Fördermenge bei einer Umdrehung der Zahnradpumpe 14 berechnet werden.
Alternativ ist es möglich, statt des Timers einen Quadraturzähler zu verwenden. Hierzu sind zwei Kodierspuren am optischen Kodierer ausgebildet, die zwei um 90° zueinander versetzte Signale erzeugen. Diese Signale werden in einen Quadraturzähler eingelesen und anschließend dessen Zählerstand akkumuliert. Durch eine folgende numerische Differenzierung ergibt sich ebenfalls die aktuelle Drehzahl des Verdrängers 14 beziehungsweise des Antriebsmotors 18. Über den Quadraturzähler wird auch ein Zurückdrehen der Zahnradpumpe 14 ermittelt, da der Zähler dann rückwärts zählt. So werden auch Fehler bei starken Pulsationen vermieden, die zu einem solchen Zurückdrehen der Zahnradpumpe 14 führen können.
Die Werte des Timers und des Quadraturzählers werden selbstverständlich ebenfalls der Recheneinheit 31 zugeführt.
Alternativ wäre es auch möglich, statt des optischen Kodierers 38 als Drehwinkelsensor 36 zwei zueinander versetzte magnetoresistive Sensoren zu nutzen, die mit einem auf einer Welle des Antriebsmotors 18 oder der Zahnradpumpe 14 befestigten Permanentmagneten kommunizieren, der bei Bewegung entsprechend zwei zueinander versetzte kontinuierliche Spannungsverläufe in den Sensoren erzeugt, die ausgelesen werden können. Zwei solche beispielsweise um 90° zueinander versetzte Signale ermöglichen ebenfalls die Bestimmung des Absolutdrehwinkels zu jedem beliebigen Zeitpunkt und somit eine exakte Messung der momentanen Drehzahl.
Mit diesen Ausführungen können Förderschwankungen des Verdrängers 14 durch Reibung oder ähnliches sowie auftretende Pulsationen erkannt werden, da zu jedem Zeitpunkt der gerade vorhandene Durchfluss 44 der Zahnradpumpe 14 über die aktuell gemessene Drehzahl bestimmt werden kann.
Zusätzlich ist es möglich, Förderschwankungen des Verdrängers 14, die beispielsweise durch nicht exakt gleiche Ausbildung der Zähne einer Zahnradpumpe 14 entstehen, herauszurechnen, indem jedem Winkelbereich des Verdrängers 14 beispielsweise in 1° Schritten ein bestimmtes Fördervolumen zugeordnet wird. Dies kann in entsprechenden Stützstellen in einer Software der Recheneinheit 31 hinterlegt werden, so dass zur Berechnung des Durchflusses 44 nicht nur die momentane Drehzahl verwendet wird, sondern zusätzlich die in diesem Drehwinkelbereich zu erwartende Fördermenge bei der Berechnung benutzt wird. So können auch geringe Pulsationen durch die Zähne der Pumpe 14 der Pumpe eliminiert werden.
Selbst starke auftretende Oszillationen im zu ermittelnden Durchfluss 48 können durch die erfindungsgemäßen Verfahren wiedergegeben werden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist.
Die Figur 2a) zeigt zunächst die gemessene Auslenkung 40 des Kolbens 24 sowie einen sich aus der Ableitung der Auslenkung 40 ergebenden Durchfluss 41 in der Messkammer 22 beziehungsweise der Umgehungsleitung 20 in mm3/s bei Vorliegen eines oszillierenden Durchflusses 48. Die Figur 2b) zeigt einen aus dem Durchfluss 41 in l/h umgerechneten Durchfluss 42 in der Umgehungsleitung 20 sowie den gemessenen Durchfluss 44 der Zahnradpumpe 14. Durch Summation dieser beiden Kurven ergibt sich der in Figur 2c) dargestellte Verlauf für den resultierenden Durchfluss 46, der exakt dem aufgeprägten Durchfluss 48 entspricht.
Entsprechend ist es möglich, mit dem beschriebenen Verfahren dynamische Durchflussvorgänge bis in den kHz- Bereich wiederzugeben. Es handelt sich dabei um eine freilaufende Messung ohne externe Triggersignale. Pulsationen, die RückStrömungen an der Zahnradpumpe verursachen oder Oszillationen sowie ungleichmäßige Förderung durch die Zahnradpumpe durch Reibung oder unterschiedlich ausgebildete Zähne der Pumpe beeinflussen nicht mehr das Ergebnis, welches jeweils korrekt ermittelt wird.
Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des Hauptanspruchs möglich sind. Insbesondere ist es denkbar unterschiedliche Sensoren zur Ermittlung der Drehzahl des Verdrängers zu verwenden oder auf andere Weise die Fördermenge am Verdränger zu messen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen mit
einem Einlass (10), in den das zu messende Fluid strömt,
einem Auslass (16), aus dem das zu messende Fluid ausströmt, einem zwischen Einlass (10) und Auslass (16) angeordneten rotatorischen Verdränger (14), über den Fluid gefördert wird, einem Druckdifferenzaufnehmer, der in einer Umgehungsleitung (20) zum rotatorischen Verdränger (14) angeordnet ist und der aus einem in einer Messkammer (22) angeordneten Kolben (24) besteht,
einem Wegsensor (26), über den eine Auslenkung des Kolbens (24) in der Messkammer (22) gemessen wird,
einem Antriebsmotor (18), über den der rotatorische Verdränger (14) angetrieben wird,
einem Drehwinkelsensor (36), über den eine Drehzahl des Antriebsmotors (18) oder des rotatorischen Verdrängers (14) gemessen wird,
wobei die Drehzahl des Antriebsmotors (18) in Abhängigkeit der am translatorischen Druckdifferenzaufnehmer anliegenden
Druckdifferenz geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zu ermittelnde Gesamtdurchfluss (46) mittels Summation des momentanen Durchflusses (44) durch den Verdränger (14) sowie des momentanen Durchflusses (42) in der Umgehungsleitung (20) aufgrund der Auslenkung des Kolbens (24) berechnet wird, wobei der Durchfluss in der Umgehungsleitung (20) aus einer gemessenen Auslenkung des Kolbens (24) bestimmt wird und der Durchfluss durch den Verdränger (14) aus einer gemessenen Drehzahl des Verdrängers (14) oder des Antriebsmotors (18) bestimmt wird.
2. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
über einen Drehwinkelsensor (36) die momentane Drehzahl des Antriebsmotors (18) oder des rotatorischen Verdrängers (14) gemessen wird und aus der momentanen Drehzahl und einem Fördervolumen des Verdrängers (14) pro Umdrehung der momentane Durchfluss (44) durch den Verdränger (14) berechnet wird.
3. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die momentane Drehzahl über einen mit dem Verdränger (14) oder dem Antriebsmotor (18) gekoppelten optischen Kodierer (38) bestimmt wird, indem die zeitliche Länge der Kodierer-Impulse ermittelt wird.
4. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Längen der Kodierer-Impulse mittels eines Timers gemessen werden.
5. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Timer mit einer Taktfrequenz von mindestens 10MHz betrieben wird.
6. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der optische Kodierer (38) zwei Kodierspuren aufweist, über die zwei um 90° versetzte Sensorsignale erzeugt werden, die zur Messung der momentanen Drehzahl in einen Quadraturzähler eingelesen werden und anschließend akkumuliert und numerisch differenziert werden.
7. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die momentane Drehzahl über zumindest zwei mit dem Verdränger (14) oder dem Antriebsmotor (18) gekoppelte magnetoresisitive Sensoren bestimmt wird, die mit einem Magneten, der mit dem Antriebsmotor (18) oder dem Verdränger (14) umläuft, korrespondieren und zwei Sensorsignale erzeugen, die um 90° versetzt zueinander sind.
8. Verfahren zur Messung von zeitlich aufgelösten Durchflussvorgängen nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
der Drehwinkelsensor (36) ein Absolutdrehwinkelsensor ist und in einer Recheneinheit (31) eine Tabelle mit verdränger- oder motorwinkelbasierten Stützstellen hinterlegt wird, wobei definierten Absolutdrehwinkelbereichen des Verdrängers (14) ein in diesem Bereich verdrängtes Volumen zugeordnet wird und aus diesem Volumen und der ermittelten Drehzahl des Verdrängers (14) ein momentaner Durchfluss (44) durch den Verdränger (14) berechnet wird.
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