CH670889A5

CH670889A5 -

Info

Publication number: CH670889A5
Application number: CH2020/86A
Authority: CH
Inventors: Willy Kamiel Caekebeke; Craecker Roger Jean De
Original assignee: Labofina Sa
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1986-05-20
Publication date: 1989-07-14
Also published as: DE3618504A1; GB2176007A; GB2176007B; GB8514455D0; ATA149886A; AT394451B

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Kalibrieren einer Vorrichtung zum Messen des Druckes von Fluiden mit einem piezoelektrischen Druckwandler zur Ermittlung der Veränderung des Druckes des Fluids, so dass die Vorrichtung sodann zur Messung des Druckes des Fluids bis zu einem gegebenen Wert verwendet werden kann. Sie betrifft insbesondere die dynamische Kalibrierung von Messkreisen, die dazu verwendet werden, dynamische Drücke genau zu ermitteln, die während einiger chemischer oder physikalischer Prozesse vorherrschen, wie beispielsweise die Drücke im Innern der Zylinder von Verbrennungskraftmaschinen.

Die Messkreise bestehen aus einem piezoelektrischen Quarz-Druckwandler, einem Ausgangsverstärker und einem Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung von Digitalzahlwerten, die den Drucksignalen entsprechen. Diese Kreise müssen nicht nur vor der Verwendung, sondern auch von Zeit zu Zeit während ihrer Verwendung, wenn genaue Messungen erzielt werden sollen, kalibriert werden.

Bisher wurden zwei verschiedene Arten von Kalibriermethoden angewendet.

Die erste Art besteht in der Durchführung einer statischen Kalibrierung des gesamten Schaltkreises. Es wird eine Schalt-gewichts-Druckwaage verwendet, und der Schalter für die Zeitkonstante des Verstärkers im Schaltkreis befindet sich in der «lang»-Stellung. Der Druck wird in der Waage mehrere Male von atmosphärischem Druck auf den höchsten Druckwert, der bei der Messung auftritt, erhöht. Der Spannungssprung am Ausgang des Verstärkers wird vermerkt und zur Kalibrierung des Schaltkreises verwendet.

Eine solche statische Methode hat mehrere Nachteile. In der «lang»-Stellung des Schalters für die Zeitkonstante ist der Messkreis sehr empfindlich gegen Nullpunktdrift, verursacht durch Schmutz oder Feuchtigkeit am Eingang des Schaltkreises. Eine Beseitigung dieser Drift ist sehr schwierig, so dass eine genaue Kalibrierung unmöglich wird. Weiters ist die Reproduzierbarkeit schlecht und können die Unterschiede zwischen den Messungen bis zu 5% betragen, ein Wert, der nicht annehmbar ist, wenn genaue Messungen gefordert werden. Weiters kann der Durchschnittswert der statisch erfassten Empfindlichkeit (V/bar) 3-5% geringer sein als der Durchschnittswert der dynamischen Empfindlichkeit; dieser Unterschied ist auf elektrische Effekte zurückzuführen.

Die zweite Art der Kalibrierungsmethode ist eine dynamische Methode, die jedoch auf die Kalibrierung des Verstärkers beschränkt ist. Ein Kalibrierkreis versorgt den Verstärker mit einer Rechteckwelle mit wählbarer Amplitute und akzeptabler Genauigkeit (+/-1%). Diese Methode liefert einen angenäherten Wert des dynamischen Verstärkungsfaktors lediglich des Verstärkers, sie kalibriert jedoch nicht den ganzen Messkreis.

Es besteht daher ein Bedarf nach einer dynamischen Kalibrierungsmethode für den gesamten Messkreis.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens für die genaue Kalibrierung des gesamten Kreises, also des Druckwandlers, des Ausgangsverstärkers und des Digital-Umsetzers. Weiters ist ein Gegenstand der Erfindung die Schaffung einer Kalibrierungsanord2

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nung, welche durch eine aussergewöhnliche Reproduzierbarkeit und eine hohe Empfindlichkeit gekennzeichnet ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Die zu kalibrierende Vorrichtung ist vorzugsweise ein Druckmesskreis, umfassend den piezoelektrischen Druckwandler, einen Verstärker und einen Digital-Umsetzer. Als Flüssigkeit dient vorzugsweise Öl.

Die vorliegende Erfindung schafft weiters eine Kalibrierungsanordnung. Diese ist in Anspruch 4 gekennzeichnet. Vorzugsweise ist diese weiter gekennzeichnet durch

- eine Quelle von unter Hochdruck stehendem Inertgas, die einerseits an einen Schaltgewichts-Drucktester und andererseits an einen geschlossenen Ölbehälter angeschlossen ist, in dem ein Rohr in Öl eintaucht, wobei das Öl durch das Gas unter Druck gesetzt ist, und eine Kalibriervorrichtung, bestehend aus

- einem Stator, in welchem der piezoelektrische Druckwandler montiert ist und welcher zwei entgegengesetzte Löcher, eines für den Ölhochdruckeinlass und das zweite für den Atmosphärendruckeinlass, aufweist, und

- einem Rotor, in dem eine Bohrung den genannten Druckwandler abwechselnd mit dem Ölhochdruckeinlass und mit dem Atmosphärendruckeinlass verbindet und welcher durch einen Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben ist,

wobei das Hochdrucköl zum Druckwandler durch ein Rohr geleitet ist, welches in das Öl eintaucht und mit dem Ölhochdruckeinlass des Stators in Verbindung steht.

Der Druck des Inertgases kann durch Ventile kontrolliert werden und wird auf einen Wert gebracht, der etwas höher ist als der Kalibrierungsdruck. Der Schaltgewichtstester kann den gewählten Druck genau messen, und es ist typisch, dass der durchschnittliche Fehler 0,1% nicht übersteigt. Es kann jeder übliche Schaltgewichtstester, der mit hoher Präzision arbeitet, zur genauen Messung des Gasdruckes verwendet werden.

Der Gasdruck herrscht auch im geschlossenen Ölbehälter, der mit einem Rohr oder einer Leitung vefsehen ist, das in das eintaucht und mit der Kalibriervorrichtung verbunden ist. Das Öl ist daher mit dem Gasdruck beaufschlagt, und der Ölhochdruck wird über das Rohr zur Kalibriervorrichtung geleitet, und zwar zum Hochdruckeinlass im Stator und sodann zum piezoelektrischen Druckwandler. Nunmehr kann der genaue kalibrierte Druckwandler mit dem Verstärker und dem Analog-Digital-Umsetzer dazu verwendet werden, den Kalibrierungsdruck zu ermitteln, der beispielsweise in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine auftritt.

In der Folge wird ein Beispiel einer Ausführungsform unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen die

Fig. 1 eine allgemeine Darstellung einer dynamischen Kalibrierungsanordnung zusammen mit einem Schaltgewichtstester und einer Kalibrierungsvorrichtung gemäss vorliegender Erfindung ist und die

Fig. 2 eine vergrösserte Querschnittsdarstellung der in Fig. 1 gezeigten Kalibrierungsvorrichtung darstellt.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Quelle des unter Druck stehenden Inertgases eine Stickstoff-Flasche 1, die durch ein Rohr 2 mit einem Schaltgewichtstester 3 und einem kleineren, Öl enthaltenden, geschlossenen Behälter oder einer Flasche 4 verbunden ist.

Das Rohr 2 ist mit einem Hauptdruckregler 5, einem Druckausgleichsnadelventil 6 und einem Ventil 7 versehen. Die Flasche 4 ist mit Überdruckregelventilen 8 ausgerüstet.

Ein Rohr 9 taucht in das in der Flasche 4 enthaltene Öl ein.

Das Öl wird durch den Druck des Stickstoffes unter Druck gesetzt, und der Ölhochdruck wird durch das Rohr 9 zur Kalibrierungsanordnung 10 übertragen, die nachstehend beschrieben wird.

Der Schaltgewichtstester 3, der eine bekannte Vorrichtung ist, besteht aus einem Ölbehälter 11 und einer Pumpe 12. Ein Kolben 13 mit kalibrierten Gewichten 14 hat einen Hub von etwa 20 mm. Jede Kalibrierung wird durchgeführt, wenn die Gewichte schwimmen und frei schweben.

Ein Messinstrument 15 ermöglicht es dem Benützer, den Druck im gesamten System zu kennen.

Die Figur 2 ist eine vergrösserte Querschnittsdarstellung der Kalibrierungsvorrichtung 10. Die Hauptteile der Kalibrierungsvorrichtung 10 sind ein Rotor 16, ein Flansch 17, ein Stator 18 und eine Wandlerhalterung 19 zum Halten eines Druckwandlers 20.

Der Rotor 16 ist drehbar in einem ringförmigen Loch im Flansch 17 montiert. Der Stator 18 ist rohrförmig und zwischen dem Flansch 17 und der Druckwandlerhalterung 19 montiert, so dass er einen Teil des Rotors 16 umgibt. Der Druckwandler 20 ist längs der Achse des Rotors 16 montiert.

Der Stator 18 hat zwei Gewindelöcher 21 und 22, von denen eines, je nach dem Hochdruck oder Kalibrierungsdruck und das andere mit dem Atmosphärendruck verbunden ist. Diese beiden Verbindungen sind austauschbar. Die Gewinde sind NPT (National Pipe Thread), die gegen Hochdruck eine perfekte Abdichtung und Festigkeit gewährleistet. Die Wanddicke des Stators 18 muss ausreichend sein, um die Montage einer Hochdruckverbindung mit jedem der Löcher 21,22 zu ermöglichen. Das Material des Stators 18 hat selbstschmierende Eigenschaften.

Der Teil des Rotors 16, der durch den Flansch 17, den Stator 18 und die Wandlerhalterung 19 eingeschlossen ist, weist eine durchgehende Bohrung auf, welche aus einer axialen ersten Bohrung 23, die auf der axialen Endfläche des Rotors 16 gegenüber dem Druckwandler 20 ausmündet, und einer radialen zweiten Bohrung 24 besteht, die an einer axialen Stelle ausmündet, welche der axialen Position der beiden Löcher 21,22 entspricht.

Wenn der Rotor 16 gedreht wird, kann er als Dreiwegventil wirken, weil die Löcher 21 und 22 nacheinander über die Bohrungen 23 und 24 an den Wandler 20 angeschlossen sind. Demnach wird bei der Verwendung der Vorrichtung der Wandler 20 nacheinander an den präzise gemessenen Kalibrierungsdruck und an den Atmosphärendruck angeschlossen. Um die Anschlusszeit zwischen Kalibrierungsdruck bzw. Atmospärendruck und Wandler 20 zu verlängern, ist die Bohrung 24 radial ausgeführt, sie verläuft jedoch in einem Winkel von weniger als 180 °, um eine Kurzschlussverbindung zwischen den beiden Druckeinlässen zu vermeiden.

Der Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator ist so eng wie möglich, um einen Öldurchtritt und folglich eine Druckabfall zu verhindern. Das Axialspiel des Rotors ist begrenzt, um Hin- und Herbewegungen und einen Pumpeffekt des Rotors zu vermeiden.

Der Rotor wird durch einen Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben (nicht dargestellt).

Der Flansch 17 schliesst die Anordnung ab und ermöglicht den Durchtritt der Rotor'achse ohne Ölaustritt. In der zylindrischen Wand des Loches im Flansch 17 ist aus diesem Grund ein Raum für zwei O-Ringe 25 vorgesehen. Die Dichtheit zwischen dem Flansch 17 und dem Stator 18 ist vorerst durch eine genaue Bearbeitung der Innenfläche des Flansches 17 und sodann durch Anordnung einer Runddichtung 26 zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Flansches 17 und des Stators 18 gewährleistet.

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Die Wandlerhalterung 19 wirkt als Flansch am zum Flansch 17 entgegengesetzten Ende des Stators 18 sowie dazu, eine Halterung für den piezoelektrischen Druckwandler 20 zu bilden. Jede Art von Wandler wird mit einer jeweils besonderen Art von Wandlerhalterung verwendet. In der in Figur 2 gezeigten Auführungsform ist die Halterung 19 für eine AVL-Wandler Type 8 OP 500 CA (ein Produkt der AVL-Austria) ausgelegt. Der Wandler ist zwischen einem Einsatz 27 und einer Dichtung 28 in der Halterung 19 montiert und wird mittels einer Schraube 29 in seiner Lage gehalten. Die feste Abdichtung zwischen der Wandlerhalterung 19 und dem Stator 18 und die Zentrierung zwischen den Komponenten werden in derselben Weise gewährleistet wie im Falle des Flansches 17.

Eine Ablass-Schraube 30 (siehe Fig. 1) ist in der Kalibrierungsvorrichtung 10 vorgesehen, um die ganze Vorrichtung reinigen zu können. Das bei der Reinigung erhaltene Öl und das Öl aus geringen Durchsickerverlusten in der Kalibrierungsvorrichtung werden in einer Kanne 31 aufgefangen.

Der piezoelektrische Quarz-Wandler 20 kann dazu verwendet werden, um mit grosser Genauigkeit den Druck zu ermitteln, der beispielsweise in den Zylindern einer Verbrennungskraftmaschine herrscht. Der Wandler mit dem Verstärker und dem Analog-Digital-Umsetzer zur Wiedergabe der diesem Druckwert entsprechenden Digitalzahlen muss mit hoher Präzision kalibriert werden.

Zu diesem Zweck wird der Druckwandler 20 in die Wandlerhalterung 19 der Kalibrierungsvorrichtung 10 eingeschraubt.

Die Stickstoff-Flasche 1 wird geöffnet und mit Hilfe des Reglers 5 wird der Stickstoffdruck auf einen Wert gebracht, der etwas höher ist als der Kalibrierungsdruck. Die Ventile 6 und 7 zwischen der Flasche 1 und der Flasche 4 werden geöffnet, um den Stickstoff druck im ganzen System zu erhöhen. Ein Benützer kann diesen Druck annähernd am Messinstrument 15 ablesen. Die Ventile werden sodann geschlossen, wenn die Testgewichte 14 im Schaltgewichtstester nach oben gehen. Der Motor zum Antrieb des Rotors 16 wird in Tätigkeit gesetzt und die Geschwindigkeit des Rotors auf den gewünschten Wert gebracht. Die Gewichte 14 werden durch manuelle Steuerung im Schwebezustand gehalten. Der korrekte Druck wird im ganzen System so lange aufrecht erhalten, so lange der Kolben 13 frei schwimmt und die Gewichte schweben. Im Falle einer unkorrekten Kalibrierung befindet sich die Kolbenplatte so weit unten, dass sie auf der Lagerbuchse aufsitzt, oder sie befindet sich so weit oben, dass der Innenanschlag des Kolbens die Unterseite der Lagerbuchse berührt. Eine weitere Druckfeinregelung kann mittels der Pumpe 12 oder durch Abblasen des Überdruckes mittels des Ventils 8 durchgeführt werden. Jedweder Druckverlust während der Kalibrierung kann durch Einregelung des Nadelventils 6 kompensiert werden.

Der Schaltgewichtstester 3 misst den Druck mit hoher

Genauigkeit ; der durchschnittliche Fehler liegt bei etwa 0,1% oder weniger.

Derselbe Stickstoffdruck ist auch in der das Öl enthaltenden Flasche 4 vorhanden. Die Volumenkapazität der Flasche und die Ölmenge sind nicht kritisch. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn man eine 10-1-Flasche, enthaltend etwa 31 Öl, verwendet. Das Öl wird durch den Stickstoff unter Druck gesetzt, und der Ölhochdruck wird über das Rohr zum Loch 21 des Stators 18 übertragen (das Loch 22 ist in diesem Falle an Atmosphärendruck angeschlossen). Der Rotor 16 verbindet den Druckwandler 20 über die Bohrungen 23 und 24 abwechselnd mit dem Ölhochdruck bzw. mit dem Atmosphärendruck.

Auf Grund der schlechten Kompressibilität des Öls und des geringen Ölvolumens im Rotor geht nach einem Druckzyklus eine gewisse Ölmenge verloren, wenn der Atmosphärendruckeinlass 22 des Stators verlassen wird. Dieser geringe Sickerfluss verhindert die direkte Verbindung des Schaltge-wichtstesters 3 mit der Kalibrierungsanordnung 10. Es würde tatsächlich durch diesen Sickerfluss der die Kalibrierungsgewichte 14 tragende Kolben 13 auf die Lagerbuchse fallen und von diesem Moment an der Öldruck nicht mehr länger korrekt sein. Beim erfindungsgemässen System wird dieser Nachteil verhindert, da der obere Teil der Flasche 4 Stickstoff enthält, der eine wesentlich bessere Kompressibilität besitzt als Öl und daher als Puffer fungiert. Nach der Drehung des Rotors expandiert der Stickstoff und sein Druck nimmt ab, jedoch um einen Anteil, der 0,1% nicht überschreitet, in anderen Worten, um einen Prozentanteil, welcher der Genauigkeit des Schaltgewichtstesters entspricht.

Durch den Stickstoffpuffer wird noch ein zweiter Vorteil erzielt; er dämpft die im Öl durch den diskontinuierlichen Fluss durch die Kalibrierungsvorrichtung verursachten Wellen. Ohne die Gegenwart von Stickstoff als Puffer würden diese Wellen in diskontinuierlicher Weise an den Schaltgewichtstester übertragen werden und die Kalibrierungsgewichte 14 würden sich mit Beschleunigungen und Verzögerungen bewegen. In diesem Falle wären der Öldruck nicht mehr konstant, sondern würde auf Grund der Trägheit der Gewichte eine Komponente enthalten.

Nach der Kalibrierung wird der Druckwandler 20 von der Wandlerhalterung 19 für die weitere Verwendung abgeschraubt.

Das erfindungsgemässe hydraulisch-pneumatische System versorgt den piezoelektrischen Druckwandler mit einer Rechteck-Druckwelle von kontrollierbarer Frequenz, die zwischen dem hohen Kalibrierungsdruck - mit einer Genauigkeit von 0,1% - und Atmosphärendruck schwankt. Dieses System ermöglicht es dem Benützer, den ganzen Messkreis, einschliesslich Wandler, Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer zu kalibrieren, d. h. unter realen Arbeitsbedingungen den Wert der Digitalzahl entsprechend jedem dynamischen Druckwechsel in dem zu messenden System zu bestimmen.

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1. Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung zum Messen des Druckes von Fluiden mit einem piezoelektrischen Druckwandler zur Ermittlung der Veränderungen des Druckes des Fluids, so dass die Vorrichtung sodann zur Messung des Druckes des Fluids bis zu einem gegebenen Wert verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass man a) eine Quelle eines Inertgases, das unter einem Druck steht, der grösser ist als der genannte gegebene Wert, vorsieht,

b) den Druck des Inertgases genau misst,

c) eine Flüssigkeit vorsieht und die Flüssigkeit mit dem Inertgas mit dem Druck des letzteren beaufschlagt und d) abwechselnd die unter Druck gesetzte Flüssigkeit und den Atmosphärendruck an den Druckwandler anlegt, um Druckablesungen mit der Vorrichtung zu erhalten, die dem genau gemessenen Druck des Inertgases und Atmosphärendruck entsprechen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kalibrierende Vorrichtung eine Druckmesskette ist, welche neben dem piezoelektrischen Druckwandler noch einen Ausgangsverstärker und einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist, und dass die Flüssigkeit Öl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas einerseits einem Schaltgewichtstester zur genauen Bestimmung seines Druckes und andererseits einem geschlossenen, mit einem in Öl eintauchenden Rohr versehenen Behälter zugeführt wird, welches Öl durch das genannte Gas unter Druck gesetzt ist.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Kalibrierung einer Vorrichtung zum Messen des Druckes von Fluiden mit einem piezoelektrischen Druckwandler zur Ermittlung der Veränderungen des Druckes des Fluids, so dass die Vorrichtung sodann zur Messung des Druckes des Fluids bis zu einem gegebenen Wert verwendet werden kann, gekennzeichnet durch Einrichtungen um ein Inertgas vorzusehen, das unter einem Druck steht, der grösser ist als der genannte gegebene Wert, Einrichtungen zum genauen Messen des Druckes des Inertgases, einen Behälter für eine Flüssigkeit, Einrichtungen, um die Flüssigkeit mit dem Inertgas mit dessen Druck zu beaufschlagen, und Einrichtungen, um abwechselnd die unter Druck gesetzte Flüssigkeit und den Atmosphärendruck an den Druckwandler anzulegen, um Druckablesungen mit der Vorrichtung zu erhalten, die genau dem gemessenen Druck des Inertgases und Atmosphärendruck entsprechen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

- eine Quelle von unter dem genannten Druck, der grösser ist als der genannte gegebene Wert stehendem Inertgas, die einerseits an einen Schaltgewichtstester zur genauen Bestimmung dieses Druckes und andererseits an einen geschlossenen Ölbehälter angeschlossen ist, in dem ein Rohr eintaucht, wobei das Öl durch das Gas unter Druck gesetzt ist,

- eine Kalibrierungsvorrichtung, bestehend aus einem Stator, in dessen Achse der zu kalibrierende piezoelektrische Druckwandler montiert ist und welcher zwei radial entgegengesetzte Gewindelöcher, eines für den Ölhochdruckeinlass und das andere für den Atmosphärendruckeinlass, aufweist, und einem Rotor, in welchem ein Schlitz den genannten Druckwandler abwechselnd mit dem Ölhochdruckeinlass und mit dem Atmosphärendruckeinlass verbindet und welcher durch einen Motor mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben ist, wobei der Ölhochdruck dem Druckwandler über das Rohr zugeführt wird, welches in den Ölbehälter eintaucht und mit dem Hochdruckeinlass des Stators in Verbindung steht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

dass die Kalibrierungsvorrichtung von zwei Flanschen eingeschlossen ist, von denen einer eine Halterung für den zu kalibrierenden Druckwandler darstellt.