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Dokumentenidentifikation DE10028811C2 23.01.2003
Titel Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder Sauer-Danfoss Holding A/S, Nordborg, DK
Erfinder Giversen, Svend, Sønderborg, DK
Vertreter U. Knoblauch und Kollegen, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 10.06.2000
DE-Aktenzeichen 10028811
Offenlegungstag 21.02.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse G05D 16/00
IPC-Nebenklasse F15B 1/04   F15B 1/027   G01N 7/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, und auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Größe der Flüssigkeit eines hydraulischen Systems, insbesondere ihres Gasgehalts.

Bei einem bekannten Verfahren und einer Vorrichtung dieser Art (US-Patentschrift 4 924 695) wird zum Messen des Gasgehalts in einer Flüssigkeit ein Gehäuse mit einer Bohrung verwendet, die mit einer schlauchartigen flexiblen Auskleidung versehen ist. Die Auskleidung begrenzt zusammen mit Teilen des Gehäuses eine Probenkammer, in der eine Probe des Gehäuse mittels Sperrventilen eingeschlossen wird. Ein Hydraulik-Zylinder drückt Flüssigkeit in den Raum zwischen Gehäuse und Auskleidung, um das Volumen der Probenkammer durch Verformung der Auskleidung zu verringern. Der Druck in der Probenkammer und ihre Volumenänderung hängen zusammen und werden zur Ermittlung des Gasgehalts der Flüssigkeit gemessen. Dieses Verfahren ist aufwendig und nicht zur Bestimmung der Elastizität des Gehäuses (der Wände) eines Hydraulik-Geräts, wie eines Hydraulik-Systems, oder des darin enthaltenen Fluids sowie des Volumens des Geräts geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglichen, wahlweise eine von zahlreichen physikalischen Größen eines hydraulischen Geräts, insbesondere des darin enthaltenen Fluids, auf einfache Weise zu bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß

  • a) das hydraulische Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
  • b) ein weiteres absperrbares Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem anderen bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
  • c) die beiden Geräte so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
  • d) der Ausgleichdruck gemessen wird und
  • e) an einem mathematischen Modell der beiden Geräte und ihrer Verbindung mittels eines Rechners der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe simuliert wird, bis sich der gemessene Ausgleichdruck ergibt.

Bei dieser Lösung kann das gleiche Verfahren zum Bestimmen irgendeiner physikalischen Größe des Geräts angewandt werden, z. B.: des Gasgehalts, insbesondere des Luftgehalts, der Flüssigkeit; der Elastizität des Gases, der Flüssigkeit oder der das Volumen des einen Geräts begrenzenden Wände; und des Volumens des einen Geräts, sofern alle Größen, bis auf die zu bestimmende, bekannt sind. Dabei ist konstruktiv im einfachsten Falle lediglich neben dem Gerät, bei dem die physikalische Größe bestimmt werden soll, das weitere Gerät als Bezugsgerät, ein Ausgleichventil in der Verbindung zwischen den beiden Geräten und ein Rechner erforderlich. Bei den verschiedenen Werten der erwähnten physikalischen Größe, mit denen der Rechner den Ausgleichdruck simuliert, kann es sich um Schätzwerte handeln, die dann so gewählt werden, daß der errechnete Ausgleichdruck möglichst nahe bei dem gemessenen Ausgleichdruck liegt oder sich diesem bei jedem neuen Schätzwert immer weiter annähert. Der Schätzwert, bei dem der errechnete Ausgleichdruck dem gemessenen Ausgleichdruck am nächsten kommt oder diesem gleicht, wird dann als der zu bestimmende Wert der physikalischen Größe benutzt.

Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung der genannten Aufgabe besteht dann darin, daß

  • a) das eine Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
  • b) ein weiteres Gerät mit der Flüssigkeit bis zu einem anderen bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
  • c) die beiden Geräte so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
  • d) der Ausgleichsdruck gemessen wird und
  • e) sich die zu bestimmende physikalische Größe mit den bekannten Anfangsdrücken und dem Ausgleichdruck aus einer Tabelle ergibt, die mittels eines mathematischen Modells der beiden Geräte und ihrer Verbindung mit Hilfe eines Rechners, in dem der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe und verschiedenen Werten der erwähnten Anfangsdrücke simuliert wird, erstellt wird.

Bei dieser Lösung muß zwar zuvor eine Tabelle zusammengehöriger Werte der zu bestimmenden Größe und von Ausgleichdrücken erstellt werden, doch kann der eigentliche Bestimmungsvorgang dadurch erheblich beschleunigt werden.

Bei den Geräten kann es sich um hydraulische Systeme handeln. Eine Vereinfachung des Verfahrens kann jedoch dadurch erreicht werden, daß zur Bestimmung einer physikalischen Größe einer Flüssigkeit als Geräte Behälter verwendet werden. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise das Messen einer physikalischen Größe einer Flüssigkeit, bevor sie in ein hydraulisches System geleitet wird.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß das eine der beiden Geräte die zu bestimmende physikalische Größe aufweist und das andere Gerät als Referenzgerät dient.

Ferner sollten die beiden Geräte, bevor sie mit der Flüssigkeit unter Druck gefüllt werden, mit der Flüssigkeit gespült werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Geräte bei der Zuführung der Druckflüssigkeit mit ein- und derselben Flüssigkeit gefüllt werden, ohne daß Reste einer zuvor benutzten anderen Flüssigkeit oder eines Gases, insbesondere Luft, in den Geräten vorhanden sind.

Als Rechner kann ein entsprechend aufgebauter Analogrechner verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein programmierbarer Digitalrechner verwendet. Bei einem solchen Rechner muß lediglich das Programm entsprechend erstellt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht darin, daß sie aufweist:

  • a) zwei Behälter mit jeweils einem Druckmeßgerät,
  • b) ein Ventil, mit dem eine Verbindung zwischen der Hochdruckseite des Systems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
  • c) ein Ventil, mit dem eine Verbindung zwischen den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
  • d) ein oder mehrere Ventile, mit dem bzw. denen eine Verbindung zwischen der Niederdruckseite des Systems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann, und
  • e) einen Rechner, durch den die erwähnten Ventile betätigt werden können, wobei
  • f) die Drücke in den beiden Behältern in dem Rechner aufgenommen sind,
  • g) nach einem Programm in dem Rechner beide Behälter mit Systemflüssigkeit bis zu verschiedenen bekannten Drücken gefüllt und abgesperrt und danach die beiden Drücke ausgeglichen werden können, und
  • h) in dem Rechner ein mathematisches Modell der beiden Behälter und ihrer Verbindung programmiert ist, mit dem der Druckausgleich mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe nachgeahmt werden kann, bis sich der gemessene Ausgleichsdruck ergibt.

Diese Ausbildung ermöglicht ein selbsttätiges Bestimmen der gewünschten physikalischen Größe. Dabei können die Behälter mittels der Ventile in einem Arbeitsgang nacheinander mit derselben Flüssigkeit gespült werden, bis sie gefüllt sind.

Ferner kann ein durch den Rechner steuerbares Druckventil vorgesehen sein, mit dem die Werte der Drücke in beiden Behältern bestimmt werden können.

Statt dessen oder zusätzlich kann eine Pumpe vorgesehen sein, die die Werte der Drücke in den beiden Behältern unabhängig vom Systemdruck bestimmt.

Bei der erwähnten physikalischen Größe der Flüssigkeit des hydraulischen Systems kann es sich um den Luftgehalt handeln.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung, ohne den zugehörigen Rechner,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf unterschiedlicher Anfangsdrücke in zwei Geräten nach deren Verbindung bis zu einem Ausgleich der Drücke,

Fig. 3 den anhand eines mathematischen Modells in einem Rechner simulierten Verlauf der gleichen Anfangsdrücke wie in Fig. 2 bis zum Erreichen des gleichen Ausgleichdrucks,

Fig. 4 und 5 ähnliche Druckdiagramme wie die nach den Fig. 2 und 3, jedoch für verschiedene Anfangsdrücke bei den gleichen Geräten,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung, ohne den zugehörigen Rechner,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8 eine ausführlichere Darstellung eines Teils des Ablaufdiagramms nach Fig. 7,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer selbsttätig arbeitenden erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eins zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen selbsttätig arbeitenden Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Teils des Rechners, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Fig. 12 ein weiteres Teil des Rechners, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Fig. 13 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Rechners, der aus den Teilen nach den Fig. 11 und 12 aufgebaut ist, und

Fig. 14 ein ausführlicheres Blockschaltbild des Rechners, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Bestimmung oder Messung des Luftgehalts einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, z. B. Öl, eines hydraulischen Geräts A, z. B. eines hydraulischen Systems oder einfach eines Behälters, beschrieben.

Das Gerät A hat einen Eingang 1 und einen Ausgang 2. Der Eingang 1 ist über ein Einlaßventil V1 mit dem Ausgang einer durch einen Motor M angetriebenen Pumpe 3 und einem am Ausgang der Pumpe 3 angeschlossenen einstellbaren Druckbegrenzungsventil 4 verbunden. Ferner ist der Eingang 1 mit einem Druckmeßgerät 5 verbunden. Ein weiteres hydraulisches Gerät B, bei dem es sich ebenfalls um ein hydraulisches System oder einfach einen Behälter handeln kann, hat ebenfalls einen Eingang 6 und einen Ausgang 7. Der Ausgang 2 des Geräts A ist mit dem Eingang 6 des Geräts B über ein Ausgleichventil V2 verbunden. Ferner ist auch am Eingang 6 des Geräts B ein Druckmeßgerät 8 angeschlossen. Der Ausgang 7 des Geräts B steht über ein Auslaßventil V3 mit einem unter Atmosphärendruck stehenden Behälter 9 für die Flüssigkeit in Verbindung. Desgleichen mündet der Ausgang des Druckbegrenzungsventils 4 in dem Behälter 9.

Für die Bestimmung oder Messung der gewünschten Größe, hier des Luftgehalts der Flüssigkeit, werden zunächst die Ventile V1, V2 und V3 alle geöffnet und die Pumpe 3 in Betrieb gesetzt, wobei die durch die Pumpe 3 aus dem Behälter 9 abgesaugte Flüssigkeit, deren Luftgehalt bestimmt werden soll, unter einem durch die Einstellung des Druckbegrenzungsventils 4 bestimmten Druck nacheinander durch beide Geräte A und B fließt, so daß sie gespült und mit der Flüssigkeit vollständig gefüllt werden, um zu verhindern, daß eine Restflüssigkeit mit einem anderen Gasgehalt als dem der für die Messung benutzten Flüssigkeit oder Luft in den Geräten A und B sowie den Verbindungsleitungen und Ventilen vorhanden ist.

Danach wird das Auslaßventil V3 geschlossen und das Druckbegrenzungsventil 4 auf einen relativ niedrigen Anfangsdruck PBo eingestellt. Sobald dieser Druck durch das Meßgerät 8 angezeigt wird, wird das Ausgleichventil V2 geschlossen. Anschließend wird das Druckbegrenzungsventil 4 auf einen höheren Anfangsdruck PAo eingestellt und das Gerät A weiter mit der Flüssigkeit bis zum Druck PAo gefüllt, wobei dieser Druck durch das Meßgerät 5 ablesbar ist. Danach wird das Ventil V1 geschlossen und die Pumpe 3 außer Betrieb gesetzt. Das Gerät A ist nunmehr mit der Flüssigkeit unter dem höheren Anfangsdruck PAo und das Gerät B mit der gleichen Flüssigkeit unter dem niedrigeren Anfangsdruck PBo gefüllt.

Danach wird das Ausgleichventil V2 geöffnet, so daß sich die in den beiden Geräten A und B herrschenden Anfangsdrücke ausgleichen können.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drücke PA(t) und PB(t) in den Geräten A und B, ausgehend von einem Anfangsdruck PAo von 197 bar im Gerät A und einem Anfangsdruck PBo von 3 bar im Gerät B bis zu einem konstanten Ausgleichdruck Pem von 89,8 bar in beiden Geräten A und B sowie in den zwischen ihnen und den Ventilen V1 bis V3 liegenden Leitungen und dem Ausgleichventil V2.

Dieser Verlauf wird durch die Meßgeräte 5 und 8 angezeigt. Sobald sich die Anzeige der Meßgeräte 5 und 8 nicht mehr ändert, wird der Ausgleichdruck Pem abgelesen.

Danach wird mittels eines (in Fig. 1 nicht dargestellten) Rechners nach bekannten physikalischen Gesetzen des Zusammenhangs zwischen dem Luftgehalt Vg der Flüssigkeit; der Elastizität des Gases, der Flüssigkeit und der die Volumina VA und VB der beiden Geräte A und B sowie die zwischen ihnen liegenden Leitungen begrenzenden Wände; und der Volumina VA, VB, die als bekannt unterstellt werden, anhand eines mathematischen Modells der Anordnung aus dem Ausgleichventil V2 und den Geräten A, B so oft für verschiedene Schätzwerte des Luftgehalts Vg ein Ausgleichdruck Per berechnet, bis sich bei einem der Schätzwerte der gemessene Ausgleichdruck Pem ergibt. Der Schätzwert Vg, bei dem der berechnete Ausgleichdruck Per am dichtesten bei dem gemessenen Ausgleichdruck Pem liegt oder mit dem gemessenen Ausgleichdruck Pem identisch ist, wird dann als der richtige Meßwert des Luftgehalts verwendet.

Der sich für den letzten Schätzwert bei der Berechnung ergebende zeitliche Verlauf der Drücke PA(t) und PB(t) in den Geräten A und B für die Anfangsdrücke PAo = 197 bar und PBo = 3 bar ist in Fig. 3 dargestellt und ergab einen Luftgehalt von 0,56 Volumenprozent bei dem gleichen Ausgleichdruck Pem von 89,8 bar, wie er zuvor mittels der Meßgeräte 5 und 8 gemessen wurde. Der zeitliche Verlauf der Drücke PA(t) und PB(t) wird hierbei auf einem Bildschirm des Rechners wiedergegeben, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Der auf dem Bildschirm dargestellte Verlauf des Ausgleichs der beiden Drücke weicht zwar etwas von dem in Fig. 2 dargestellten, abgesehen vom Zeitmaßstab und dem Beginn der Kurven, ab. Prinzipiell haben beide jedoch bis zum Druckausgleich nach etwa 0,25 s seit Öffnung des Ausgleichsventils V1 bzw. dem Beginn der Simulation die gleiche Form.

Fig. 4 stellt ein weiteres Beispiel des Verlaufs der Drücke PA(t) und PB(t) bei einem Druckausgleich mit der gleichen Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, dar, wobei jedoch der Anfangsdruck PAo nur 17 bar und der Anfangsdruck PBo weiterhin 3 bar betrug. Hierbei zeigten die Meßgeräte 5 und 8 nach dem Druckausgleich einen Ausgleichdruck Pem von 7,5 bar an.

Rechnerisch ergab sich dann für den gleichen Luftgehalt von 0,56 Volumenprozent ein Ausgleichdruck Per von 7,7 bar, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Um den gleichen Ausgleichdruck Pem von 7,5 bar, wie er mittels der Meßgeräte 5 und 8 gemessen wurde, zu erhalten, wurde dann rechnerisch (mittels des Rechners) ein Luftgehalt von 0,59 Volumenprozent gefunden. Dies zeigt, daß die Rechenergebnisse auch bei unterschiedlichen Anfangsdrücken nur mit einem geringen Fehler, der innerhalb der Meßgenauigkeit liegt, voneinander abweichen.

Bei dem anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Meßverfahren können unterschiedliche Geräte A und B benutzt werden, sofern ihre Parameter, nämlich Volumen, Elastizität der Geräte und der Flüssigkeit sowie der Gasgehalt der Flüssigkeit und die Elastizität des Gases, einschließlich der Elastizität der Verbindungsleitung zwischen den Geräten und die Parameter des Ausgleichventils V2, bis auf die gesuchte Meßgröße, bekannt sind. Ferner können die Geräte A und B komplizierte hydraulische Systeme sein. Um lediglich den Luftgehalt in einer Flüssigkeit, z. B. in Öl, zu messen, ist es jedoch zweckmäßig, anstelle komplizierter hydraulischer Systeme einfache Behälter als Geräte A und B zu benutzen, deren Volumina und Elastizitäten zweckmäßigerweise gleich sein sollten, um das Messen, insbesondere die Berechnung, zu vereinfachen.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung, die gegenüber der in Fig. 1 dargestellten geringfügig abgewandelt ist. So sind hier die Eingänge 1 und 6 der Geräte A und B über das Ausgleichventil V2 verbunden und am Ausgang 2 des Geräts A ein weiteres Auslaßventil V3 angeschlossen. Im übrigen sind die Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 6 gleich. Der unterschiedliche Aufbau ermöglicht jedoch im Vergleich zu dem nach Fig. 1, daß die beiden Geräte A und B unabhängig voneinander gespült und gefüllt werden können, bevor sie mit derselben Flüssigkeit unter Druck weiter gefüllt werden. Im übrigen ist dann auch das Meßverfahren prinzipiell das gleiche.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen das Meßverfahren in Form von Ablaufdiagrammen. Dabei stellt Fig. 8 den im ersten Block der Fig. 7 dargestellten Verfahrensablauf ausführlicher dar. Anhand der zuvor geschilderten Verfahrensschritte dürften die Ablaufdiagramme nach den Fig. 7 und 8 aus sich heraus ohne weitere Erläuterungen verständlich sein.

Alternativ kann mittels des Rechners für eine Vielzahl verschiedener, in kleinen Intervallen abgestufter Luftgehalte und zwei vorbestimmte Anfangsdrücke PAo und PBoeine Tabelle aus den Luftgehalten und den zugehörigen, berechneten Ausgleichdrücken erstellt werden. Anschließend kann wiederum für die beiden in der Tabelle angegebenen Anfangsdrücke PAo und PBo mit der Vorrichtung nach Fig. 1 oder Fig. 6 der Ausgleichdruck Pem gemessen werden. Anhand des gemessenen Ausgleichdrucks kann dann aus der Tabelle unmittelbar der zugehörige Luftgehalt entnommen werden.

Die Messungen können in entsprechender Weise auch für andere physikalische Größen der Geräte A, B und ihrer Verbindungsleitung sowie des zwischen ihnen liegenden Ausgleichventils V2, z. B. das Volumen eines Geräts (eines hydraulischen Systems oder Behälters) und dessen Elastizität, ermittelt werden, wenn der Luftgehalt bekannt ist. Ferner können die Volumina der Geräte und deren Eigenschaften auch unterschiedlich sein.

Dergleichen kann nicht nur der Luftgehalt einer Flüssigkeit, sondern auch der Gehalt eines anderen Gases in der Flüssigkeit nach den geschilderten Verfahren ermittelt werden.

Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die einzelnen Verfahrensschritte zum Teil manuell ausgeführt werden, ist es auch möglich, das Verfahren vollständig selbsttätig durchzuführen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung nach Fig. 1 durch die Vorrichtung nach Fig. 9 ersetzt werden. Desgleichen kann hierfür die Vorrichtung nach Fig. 6 durch die Vorrichtung nach Fig. 10 ersetzt werden.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 9 steuert ein entsprechend programmierter oder ausgebildeter Rechner 10 zusätzlich die in diesem Falle magnetisch betätigbaren Ventile V1, V2, V3 und 4 sowie den Motor M der Pumpe 3 und einen Bildschirm 11 zur Einstellung der Anfangsdrücke PAo und PBo in Abhängigkeit von Signalen der in diesem Falle ohne Anzeige ausgebildeten Druckmeßgeräte 5 und 8, die die gemessenen Drücke in entsprechende digitale Signale umsetzen, wobei der Rechner 10 auf dem Bildschirm 11 zumindest die Rechenergebnisse, gewünschtenfalls aber auch die Druckmeßwerte anzeigt. Über einen Eingang 12 können dem Rechner 10 bekannte physikalische Größen der Geräte A, B, des Ausgleichventils V2 und ihrer Verbindungsleitungen eingegeben werden. Der Motor M wird durch den Rechner 10 lediglich ein- bzw. ausgeschaltet.

Die Vorrichtung nach Fig. 10 unterscheidet sich von der nach Fig. 9 in gleicher Weise wie die Vorrichtung nach Fig. 6 von der nach Fig. 1, d. h. in dem einen Falle (Fig. 9) sind die beiden Geräte A und B hintereinander angeordnet, und im anderen Falle (Fig. 10) sind sie parallel geschaltet, wobei das Gerät A mit einem zusätzlichen Auslaßventil V3 verbunden ist.

Nachstehend wird dargelegt, welche physikalischen Gesetze sowohl in dem in den Fig. 1 und 6 nicht dargestellten Rechner als auch in dem Rechner 10 nach den Fig. 9 und 10 zur Nachbildung der Geräte A, B, des Ventils V2 und ihrer Verbindungsleitungen als Rechenmodell realisiert werden und wie der Rechner im Falle eines Analogrechners aufgebaut oder im Falle eines Digitalrechners programmiert sein kann.

Der Druckaufbau in einem Raum, unter der Annahme, daß die Temperatur währenddessen konstant ist, kann durch folgende Differentialgleichung ausgedrückt werden:





Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß die Druckänderung von der Eingangsströmung Qe(t) und der Ausgangsströmung Qa(t) in den bzw. aus dem Raum, vom Volumen V des Raums und der Gesamtelastizität β, d. h. der Elastizität der ihn begrenzenden Wände und der Elastizität der in ihm enthaltenen Fluide, abhängt. Während die Elastizität eines in dem Raum enthaltenen Gases stark vom Druck P in dem Raum abhängt, können die übrigen Elastizitäten weitgehend als konstant betrachtet werden. Für die Gesamtelastizität β(P) als Funktion des Drucks P läßt sich daher folgende Beziehung angeben:





Darin sind βs die Elastizität eventueller Schläuche in dem den Raum bildenden Gerät, βp die Elastizität der Wände des Raums, soweit sie nicht durch Schläuche gebildet werden, βf die Elastizität der im Raum enthaltenen Flüssigkeit, z. B. von Öl, Vs der prozentuale Anteil des Schlauchvolumens am Gesamtvolumen V, das in dieser Gleichung (2) als 1 angenommen ist, Vg der prozentuale Anteil des Gasvolumens am oder der Gasgehalt in Volumenprozent vom Gesamtvolumen.

Die Druckabhängigkeit der Gesamtelastizität β(P) wird mithin hauptsächlich durch die Druckabhängigkeit des Gasvolumens bestimmt.

Die beiden Gleichungen (1) und (2) lassen ferner erkennen, daß die Berechnung einer Druckänderung in einem Raum manuell sehr schwierig ist. Daher werden die Gleichungen in einem Rechner nachgebildet, in dem eine numerische Berechnung in kleinen Zeitabständen vorgenommen wird.

Zu berücksichtigen ist ferner die Druckabhängigkeit des Durchflusses (Q(t)) durch ein Ventil in Abhängigkeit von der Druckdifferenz am Ventil und der Dichte ρ der durch das Ventil strömenden Flüssigkeit. Für diesen Durchfluß gilt





wenn man das Ventil als eine Blende betrachtet. In dieser Gleichung (3) sind ferner C eine Blendenkonstante und Ao der Flächeninhalt des Durchtrittsquerschnitts der Blende bzw. des Ventils, im vorliegenden Falle des Ausgleichventils V2.

Ein Rechenmodell für die Geräte A und B sowie des Ausgleichventils V2 läßt sich dann mittels eines Rechners beispielsweise so realisieren, wie es durch die in den Fig. 11 bis 14 dargestellten Blockschaltbilder veranschaulicht ist.

Fig. 11 stellt den prinzipiellen Aufbau einer Recheneinheit 13 zur Berechnung des Drucks P in einem Raum in Abhängigkeit von seinen Ein- und Ausgangsdurchflüssen Qe(t) und Qa(t), seines Volumens V und seiner Gesamtelastizität β(P) gemäß der Gleichung (1) dar.

Die Recheneinheit 13 besteht aus mehreren kleineren Recheneinheiten: einem Subtrahierer 14, dessen Eingängen die Durchflüsse Qe(t) und Qa(t) zugeführt werden, einem Kehrwertbildner 15, der den Kehrwert des Volumens V bildet, einem Multiplizierer 16 mit zwei Eingängen, dem die Ausgangsgrößen des Subtrahierers 14 und des Kehrwertbildners 15 zugeführt werden, einem weiteren Multiplizierer 17 mit zwei Eingängen, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines dem Multiplizierer 17 nachgeschalteten Integrators 18 mit zwei Eingängen verbunden ist, dessen zweitem Eingang ein Anfangsdruck Po zugeführt wird und dessen Ausgangsgröße den Druck P darstellt, und einer Recheneinheit 19, die die Gesamtelastizität β(P) gemäß Gleichung (2) in Abhängigkeit von dem Druck P in dem Gerät und von weiteren Parametern des Geräts ermittelt, wobei die Ausgangsgrößen des Multiplizierers 16 und der Recheneinheit 19 dem Multiplizierer 17 zugeführt werden. Hierbei können die Multiplizierer 16 und 17 auch als ein einziger Multiplizierer 20 mit drei Eingängen betrachtet werden, dem die Ausgangsgrößen des Subtrahierers 14, des Kehrwertbildners 15 und der Recheneinheit 19 zugeführt werden. Der Kehrwertbildner 15 kann auch als Dividierer bezeichnet werden.

Fig. 12 veranschaulicht eine Recheneinheit 22 zur Berechnung der Gleichung (3). Die Recheneinheit 22 enthält einen Subtrahierer 23, der die Differenz der Eingangs- und Ausgangsdrücke eines Ventils, hier die Differenz aus dem Druck PA(t) im Gerät A und dem Druck PB(t) im Gerät B bei geöffnetem Ventil V2 berechnet und das Ergebnis dem einen von drei Eingängen eines Multiplizierers 24 zuführt. Dem zweiten Eingang des Multiplizierers 24 wird die Zahl 2 und dem dritten Eingang des Multiplizierers 24 der Kehrwert 1/ρ der Dichte ρ der Flüssigkeit über einen Kehrwertbildner 25 zugeführt. Die Ausgangsgröße des Multiplizierers 24 stellt den Radikanden des Wurzelausdrucks in Gleichung (3) dar. Aus diesem wird durch einen Wurzelzieher 26 die Wurzel gezogen und einem von drei Eingängen eines weiteren Multiplizierers 27 zugeführt. Der Wurzelzieher 26 erzeugt bei positivem Radikanden ein positives Ergebnis und bei negativem Radikanden ein negatives Ergebnis. Den beiden weiteren Eingängen des Multiplizierers 27 werden die Blendenkonstante C und der Flächeninhalt Ao zugeführt. Die Ausgangsgröße des Multiplizierers 27 stellt dann den Durchfluß Q(t) durch ein Ventil, in diesem Falle durch das Ventil V2, dar.

Fig. 13 stellt ein Blockschaltbild des gesamten Rechners dar, der aus zwei Recheneinheiten 13 nach Fig. 11 und der Recheneinheit 22 nach Fig. 12 in der in Fig. 13 dargestellten Weise aufgebaut ist.

Bei dem in Fig. 13 dargestellten Rechner berechnet die Recheneinheit 13 mithin den zeitlichen Verlauf des Drucks PA(t) im Gerät A und die Recheneinheit 13 den zeitlichen Verlauf des Drucks PB(t) im Gerät B während des Druckausgleichs in Abhängigkeit von den jeweils dargestellten Eingangsgrößen der Recheneinheiten 13. Hierbei ist unterstellt, daß die Volumina V und die Elastizitäten βp der beiden Geräte A und B gleich sind. Ferner sind der Eingangsdurchfluß Qe(t) des Geräts A und der Ausgangsdurchfluß Qa(t) des Geräts B gleich 0, so daß der von der Recheneinheit 22 ermittelte Durchfluß Q(t) zum einen den Ausgangsdurchfluß Qa(t) des Geräts A und zum anderen den Eingangsdurchfluß Qe(t) des Geräts B bildet.

Wenn der Gasgehalt Vg der Flüssigkeit gemessen werden soll, ist vorausgesetzt, daß die Volumina V und die Elastizitäten βp und βf bei beiden Geräten bekannt sind. Alternativ kann auch anstelle des Gasgehalts Vg eine andere der physikalischen Größen V, βp und βf berechnet werden, wenn die übrigen physikalischen Größen bekannt sind. Hierfür braucht dann jeweils nur abgewartet zu werden, bis der auf dem Bildschirm 11 angezeigte Verlauf der beiden Drücke PA(t) und PB(t) in den Geräten A und B ausgeglichen ist und der errechnete Ausgleichdruck Per mit dem zuvor gemessenen Ausgleichdruck Pem übereinstimmt. Der dann zuletzt eingegebene Wert der zu messenden physikalischen Größe bildet dann den gesuchten Meßwert. Anstelle des Bildschirms 11 oder zusätzlich zu diesem kann ein Drucker 28 vorgesehen sein, dem laufend der neue Schätzwert der zu messenden Größe zugeführt wird und der durch einen Vergleicher 29 in Betrieb gesetzt werden kann, wenn der Vergleicher 29 feststellt, daß die beiden Drücke PA(t) und PB(t) gleich sind.

Fig. 14 stellt das in Fig. 13 dargestellte Blockschaltbild ausführlicher und in allgemeinerer Form für ungleiche Geräte A und B dar, die mithin unterschiedliche Volumina VA, VB, unterschiedliche Gesamtelastizitäten βA und βB aufgrund unterschiedlicher Elastizitäten βpA und βpB ihrer Wände sowie unterschiedliche Gasgehalte VgA und VgB aufweisen, jedoch keine Schläuche enthalten. Es ist daher möglich, eine beliebige dieser drei Größen nach dem angegebenen Verfahren zu messen, wenn alle anderen bekannt sind.

Der in den Fig. 13 und 14 dargestellte Rechner kann mithin auch für die sellbsttätige Berechnung des Ausgleichdrucks Per für unterschiedliche Meßgrößen verwendet werden.

Abweichend von dem in Fig. 14 dargestellten Blockschaltbild kann der eine Subtrahierer 14 als Umkehrstufe ausgebildet sein, da sein nicht umkehrender Eingang (+) null ist. In ähnlicher Weise kann der andere Subtrahierer 14, der gestrichelt dargestellt ist, weggelassen werden und stattdessen eine durchgehende Verbindung vom Ausgang des Multiplizierers 27 zu dem einen Eingang des Multiplizierers 20 vorgesehen sein, weil dem umkehrenden Eingang (-) dieses Subtrahierers 14 kein Signal zugeführt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts (A) oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) das hydraulische Gerät (A) mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
    2. b) ein weiteres absperrbares Gerät (B) mit der Flüssigkeit bis zu einem anderen bekannten Druck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
    3. c) die beiden Geräte (A, B) so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
    4. d) der Ausgleichdruck gemessen wird und
    5. e) an einem mathematischen Modell der beiden Geräte und ihrer Verbindung mittels eines Rechners der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe simuliert wird, bis sich der gemessene Ausgleichdruck ergibt.
  2. 2. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines hydraulischen Geräts (A) oder der darin enthaltenen Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. a) das eine Gerät (A) mit der Flüssigkeit bis zu einem bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
    2. b) ein weiteres Gerät (B) mit der Flüssigkeit bis zu einem anderen bekannten Anfangsdruck vollständig gefüllt und abgesperrt wird,
    3. c) die beiden Geräte (A, B) so miteinander verbunden werden, daß sich ihre Drücke ausgleichen,
    4. d) der Ausgleichsdruck gemessen wird und
    5. e) sich die zu bestimmende physikalische Größe mit den bekannten Anfangsdrücken und dem Ausgleichdruck aus einer Tabelle ergibt, die mittels eines mathematischen Modells der beiden Geräte und ihrer Verbindung mit Hilfe eines Rechners, in dem der Ausgleichdruck mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe und verschiedenen Werten der erwähnten Anfangsdrücke simuliert wird, erstellt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Geräte (A, B) Druckbehälter verwendet werden und die physikalische Größe zur Flüssigkeit gehört.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden Geräte (A, B) die zu bestimmende physikalische Größe aufweist und das andere Gerät (B) als Referenzgerät dient.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Geräte, bevor sie mit der Flüssigkeit unter Druck gefüllt werden, mit der Flüssigkeit gespült werden.
  6. 6. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen Größe der Flüssigkeit eines hydraulischen Systems, insbesondere des Gasgehalts der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:
    1. a) zwei Behälter (A, B) mit jeweils einem Druckmeßgerät (5, 8),
    2. b) ein Ventil (V1), mit dem eine Verbindung zwischen der Hochdruckseite des Systems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
    3. c) ein Ventil (V2), mit dem eine Verbindung zwischen den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann,
    4. d) ein oder mehrere Ventile (V3), mit dem bzw. denen eine Verbindung zwischen der Niederdruckseite des Systems und den beiden Behältern hergestellt und abgesperrt werden kann, und
    5. e) einen Rechner, durch den die erwähnten Ventile betätigt werden können, wobei
    6. f) die Drücke in den beiden Behältern in dem Rechner aufgenommen sind,
    7. g) nach einem Programm in dem Rechner beide Behälter mit Systemflüssigkeit bis zu verschiedenen bekannten Drücken gefüllt und abgesperrt und danach die beiden Drücke ausgeglichen werden können, und
    8. h) in dem Rechner ein mathematisches Modell der beiden Behälter und ihrer Verbindung (V2) programmiert ist, mit dem der Druckausgleich mit verschiedenen Werten der zu bestimmenden physikalischen Größe nachgeahmt werden kann, bis sich der gemessene Ausgleichsdruck ergibt.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch den Rechner steuerbares Druckventil (4) vorgesehen ist, mit dem die Werte der Drücke in beiden Behältern bestimmt werden können.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die die Werte der Drücke in den beiden Behältern unabhängig vom Systemdruck bestimmt.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte physikalische Größe der Flüssigkeit des hydraulischen Systems der Luftgehalt ist.






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