利用超聲波傳播時間測量同步確定高壓容器中壓力和溫度的方法與裝置的製作方法

2023-09-14 14:10:15 1

專利名稱:利用超聲波傳播時間測量同步確定高壓容器中壓力和溫度的方法與裝置的製作方法
本發明涉及一種如權利要求
1前敘部分所述的確定溫度和壓力的方法，以及如權利要求
6的前敘部分所述的同步確定壓力和溫度的裝置。
現有技術對處於高壓容器中的液體進行壓力確定，在共軌系統中柴油壓力的檢測時、或者在其中可能出現高達2000bar的液體壓力的汽油噴射技術中尤其是必要的。在其他的工業領域中也對高壓容器中的液體壓力進行檢測。為此，已經公開了各種不同的壓力檢測技術。
一方面，能夠將一個作為壓力傳感器的膜片或者一種另外的變形體集成於高壓容器的壁中，根據所謂的壓電阻(piezoresistiv)原理藉助於壓力傳感器對其偏移量進行檢測。
也可以將一個壓力傳感器完全地安置於高壓容器內並因此使之直接設置於被檢測的介質中，如同壓電阻材料使用時的那樣。為此，例如使用高孔隙度的RuO2，它在靜壓壓力的影響下改變其電輸運特性。
此外，公開了一種測量一個共軌或者汽油直接噴射中的靜壓壓力的裝置，它的主要組成包括一個安置於共軌或者汽油直接噴射器之外的超聲波發生器，它具有一個相應的超聲波接收器，藉助於它對由超聲波發生器發出的一個脈衝的傳播時間進行檢測。超聲波透過壓力容器的外壁、接著在存儲於壓力容器中的液體中繼續傳播，並且在高壓容器的端部上被反射。現在測量此超聲脈衝經過這段確定的路程所需要的時間，其中由此確定脈衝速度並由此確定液體中的壓力。現有技術的缺點脈衝速度，在這裡作為用於確定壓力的參量是必須的，它與不同的因素相關。一方面它與高壓容器內的壓力有關。更為重要的是脈衝速度與溫度有關。因此，重要的是為了精確地確定脈衝速度，必須對實際溫度進行檢測。
雖然可以在相應的壓力容器的外壁上安置一個熱電偶，它測量外壁的溫度。試驗結果卻表明外壁的溫度有時比存放於壓力容器內的介質的實際溫度高。其結果是由脈衝速度計算出來的壓力與實際狀態不相符合。
本發明的目的本發明的目的是創造一種裝置和一種方法，藉助其通過一個安置於高壓容器之外的測量裝置確定壓力，與此同步地還確定高壓容器內的溫度。
該目的的實現方案實現該目的的方案是同步地不僅確定壓力而且確定溫度，其中由一個超聲波傳感器發送的超聲波脈衝激勵一個另外的元件，並且也測量超聲波脈衝所經歷的時間，其中，該時間又被確定用於計算高壓容器中內部實際存在的溫度。
本發明的優點壓力的檢測原理是以超聲波速度與載體介質中的壓力之間的公知的關係為基礎的。
測量出超聲波脈衝的傳播時間，就可以推斷出超聲波速度、並因此推斷出載體介質的壓力。
為了測試目的，可以將根據ISO 4113的標準測試油填充到一個共軌(高壓容器)中。所需要的檢測機構是一些標準構件，因此可以獲得一個低成本的配置。傳播時間的測定本身隱含地通過壓力脈衝的整個傳播距離的平均測量來進行。測量不會受到局部的單個壓力峰值的幹擾，後者例如出現在諸如噴射器輸入管的附近。
根據本發明，由於所產生的壓力脈衝不僅穿過高壓容器中的介質傳播，還會在高壓容器的其他部位以脈衝穿行，對該另外的脈衝的反射進行測量，並將它通過一個確定的溫度關係轉化成與壓力和與超聲波速度的關係。這樣，根據由所述其他材料產生的這些反射，能夠推斷出溫度。
本發明的一個主要優點是能夠同步地、也就是同時地對溫度和壓力進行檢測。這樣，能夠相對於超聲波脈衝的傳播時間補償溫度歷程。
本發明的另一個主要優點是以最簡單的手段、無需幹預到壓力容器中地創造了一種檢測裝置，利用它能夠實現壓力和溫度的精確測量。
本發明的一個有利的結構是超聲波傳感器不是被安置於中心、而是在中心之外。所產生的超聲波脈衝因此不僅耦合進入到載體介質中去，而且有一個確定的部分進入到共軌或者說高壓容器的外殼中。由於金屬中超聲波速度比在液體中高4至5倍，兩個應答脈衝明顯地互相分開。
如果現在超聲波速度在管壁中與溫度有明確的關係，就可以用它來確定溫度。與此相反，超聲波速度幾乎與壓力無關。這樣，兩種效應可以互相區分開。優點是沿著高壓容器的長度檢測溫度，並因此非常接近於介質的平均溫度。類似地，這種結構也可通過一個相應大的超聲波頭來獲得。它將足夠的功率耦合到高壓容器的壁之中。在這種情況下，該超聲波頭也能夠對中地安裝。所耦合入的功率也能夠通過一個超聲波透鏡的聚焦特性來調節。
此外，還考慮了另一種可能的解決方案。有利地，在超聲波發射器的表面和與高壓容器的耦合之間的中間空間中裝入一個另外的元件。可以依據其聲速的溫度的關係進行理想的選擇。這樣，聲波首先耦合進入到這個另外的元件之中。聲波在第一個邊界面上被反射。這個第一應答脈衝就用來檢測溫度。而明顯遲後的第二個應答脈衝被用來檢測壓力。
在第三個實施結構中，有利地建議在超聲波發射器與高壓容器之間設置一個元件，它具有大的並且確定的線膨脹，該線膨脹依賴於實際溫度。該元件優選是塑料，一般具有50ppm/K這種量級的很大的線膨脹。該元件厚度的變化改變了聲波的傳播路程。這樣能夠確定溫度。在這種情況下，元件的材料需被這樣選擇，對於所應用的溫度範圍而言，聲速應儘可能與溫度無關或者只與溫度有很小的關係。線膨脹在超聲波頭的背側以一個彈簧懸掛器實現補償，因此沒有高的機械應力作用於元件上(阻止膨脹元件的壓縮)以及超聲波頭上。
本發明的另一有利的結構，將與液體之間的邊界面作為另外的元件加以利用，在該邊界面上反射相應的超聲波脈衝。不過，為此需要使用一個強衰減的超聲波脈衝發生器，以便相應的信號不會淹沒在激勵脈衝的衰減行為中。
在一個非常接近的方案中，在超聲波發射器之下的區域中將一個熱電偶澆入到所述另外的元件中。熱電偶被這樣安置，使得儘可能少的熱量能夠向外輻射出去。所檢測的溫度因此以高的精度與存放於高壓容器中的介質的溫度相符。
這裡還要注意，耦合部位優選是高壓容器的具有最薄壁厚的地方。這樣，與外壁相比，熱惰性明顯減小。
其他有利的構造可以從以下的說明書、附圖以及權利要求
中得出。
圖中所示為圖1一個高壓容器的示意圖，在一個共軌的結構中具有一個傳感器，根據現有技術進行壓力檢測；圖2一個第一實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力；圖3一個第二實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力；圖4一個第三實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力；
圖5一個第四實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力；圖6一個第五實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力；圖7一個第六實施例的示意圖，具有一個傳感器來檢測溫度和壓力。
具體實施方式圖1中示出了一個高壓容器1。該高壓容器1自身封閉起來，並在其空心室2內包含著介質3。在高壓容器1的端面4上，一個超聲波發射器5以及一個集成於超聲波發射器5中的超聲波接收器6、優選構造成一個構件地安置著。
為了檢測壓力，超聲波發射器5發射出一個壓力脈衝7，它沿著箭頭方向8從超聲波發射器5進入到介質3中去。該壓力脈衝在與超聲波發射器5相對的一側9被反射，沿著箭頭10、因此朝向超聲波接收器6傳播。在接收到反射的壓力脈衝7後，根據高壓容器1的確定的長度L能夠計算出介質3中的壓力。
圖2中示出了本發明的裝置的一個第一實施例。該裝置包括一個高壓容器101和一個位於高壓容器101內的空心室102，後者中含有介質103。此外，在高壓容器101的端面104上安置著一個超聲波發射和接收器105、106，它具有發射和接收雙重功能。超聲波發射和接收器105、106並非相對於高壓容器101的中心軸線111對稱安置，而是錯開設置。通過由超聲波發射器105產生一個壓力脈衝107，一個第一壓力脈衝107a沿著箭頭方向108a在介質103中繼續傳播。壓力脈衝107進一步分成一個壓力脈衝107b，它在高壓容器101的材料中沿著箭頭方向108b繼續傳播。超聲波接收器106具有能夠接收兩個壓力脈衝107a和107b的特性，其中，由於材料(壓力脈衝107b能夠在高壓容器101的金屬內部更快地傳播)，壓力脈衝107b首先被超聲波接收器106接收到。由於這個時間窗，可以用傳播時間來計算溫度。
圖3中示出了裝置的另一種構造，它具有一個高壓容器201，一個空心室202和位於空心室中的介質203。與圖2所示的裝置相比，它的不同之處在於超聲波接收器205和超聲波發射器206是對中安置的，也就是說，它們被安置在高壓容器201的中心軸線211上。超聲波發射器205或者超聲波接收器206的尺寸被這樣選擇，即，它伸展於高壓容器201的幾乎整個端面204上，因此它可以沿著箭頭方向208a、208b和208c發射壓力脈衝207b和207c以及介質203中傳遞的壓力脈衝207a，或者接收它們。
圖4中示出了裝置的另一個實施例。該裝置包括一個高壓容器301以及一個設置於該高壓容器301內的空心室302，後者中包含有介質303。此外，在高壓容器310的端面304上安置著一個超聲波發射和接收器305、306，它不僅具有發射而且具有接收性能。其中，在超聲波發射器305及超聲波接收器306之間安置了一個元件313，它所具有的特性是將由超聲波發射器306產生的壓力脈衝307傳送到介質303中沿著箭頭308a所示的方向作為壓力脈衝307a繼續傳播。在形成在元件313與空心室302之間的邊界層314上，壓力脈衝307的一部分，也就是沿著箭頭308a方向傳播的307b，直接被反射，因而，與所述另一壓力脈衝307a的應答脈衝相比，所產生的壓力脈衝307b的應答脈衝更早地進入到超聲波接收器306中。
圖5中示出了本發明的另一個實施例。這裡所示的裝置也包括一個高壓容器401，其中，該高壓容器401具有一個空心室402，其中含有介質403。超聲波發射器405和接收器406安置於高壓容器401的端面404上。在超聲波發射器405和接收器406與高壓容器401之間安置著一個元件413，它被設計為中間材料並且被確定具有大的確定的線膨脹，用來確定溫度。例如，它可以是一種塑料，該塑料通常具有很高的線膨脹(Laengenausdehnungen)。該元件413的空間尺寸的變化，改變了由超聲波發射器405發出的壓力脈衝407沿著方向408的傳播路程。由此能夠確定溫度。元件413的材料須被這樣選擇，使得在整個的使用溫度範圍上，其中的聲速儘可能不與溫度相關、或者僅很少地與溫度相關。在超聲波發射器405及接收器406的背面上，線膨脹ΔL(T)被通過一個彈簧元件415補償，從而不會有機械應力作用於元件413及超聲波發射器405和接收器406上。
在圖6中所示的本發明的裝置的實施例中，設置有一個高壓容器501，它具有一個空心室502，其中存儲著一種介質503。在高壓容器501的端面504上，安置著一個超聲波發射器505及接收器506。超聲波發射器505產生一個壓力脈衝507a，它沿著箭頭方向508a在介質503中傳播。此外，壓力脈衝507或者說一部分壓力脈衝507b又在邊界層514上被反射。這裡所產生的壓力脈衝507b的回送信號，又可以用於計算溫度。
圖7中示出了本發明裝置的另一種實施方式。這裡所示出的裝置包括一個壓力容器601，它形成了一個空心室602，在該空心室602內存放著一種介質603。
在高壓容器601的端面604上，示出了一個超聲波發射器605和一個相應的超聲波接收器606，由它產生一個沿著箭頭方向608的壓力脈衝607。在超聲波發射器605和接收器606與空心室603之間安置著一個熱電偶620，它檢測介質603的溫度。需要注意熱電偶與介質之間具有很短的距離619，以便直接測量溫度。
權利要求
1.同步地確定一個共軌系統中、或者一個汽油直接噴射系統中的壓力和溫度的方法，其中，在一個高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)之外，由一個超聲波發射器(5，105，205，305，405，605)產生一個壓力脈衝(7，107，207，307，407，507，607)，對該超聲波脈衝(7，107，207，307，407，507，607)穿過一個確定的路程L所需要的時間進行測量，計算出脈衝速度並由此確定介質(3，103，203，303，403，503，603)中的壓力，其特徵為超聲波脈衝(7，107，207，307，407，507，607，107a，107b，107c，307a，307b)同步地激勵一個另外的元件，並且也測量時間，並且與檢測壓力同步地求出溫度。
2.如權利要求
1所述的方法，其特徵為超聲波接收器(105)或發射器(106)相對於高壓容器(101)的中心線(111)錯開地安置。
3.如權利要求
1或2所述的方法，其特徵為超聲波接收器(105)或發射器(106)面狀地設置於端面(204)上。
4.如權利要求
1或2所述的方法，其特徵為所述元件為一個中間材料(413)，它具有在相應的溫度時進行線膨脹(ΔL)的特性。
5.如權利要求
1所述的方法，其特徵為在高壓容器(601)和超聲波發射器(605)或超聲波接收器(606)之間設置一個溫度傳感器(620)。
6.用於同步地確定一個共軌內部、或者一個汽油直接噴射系統的高壓容器中的壓力和溫度的裝置，其中，在一個高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)的外部由一個超聲波發射器(5，105，205，305，405，605)產生一個壓力脈衝(7，107，207，307，407，507，607)，對該超聲波脈衝(7，107，207，307，407，507，607)穿過一個確定的路程L所需要的時間進行測量，計算出脈衝速度並由此確定介質(3，103，203，303，403，503，603)中的壓力，其特徵為超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)額外具有接收一個另外的、由另外的材料造成的壓力脈衝的特性。
7.如權利要求
6所述的裝置，其特徵為超聲波發射器(5，105，205，305，405，605)和超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)通過一個傳導超聲波的介質耦合。
8.如上述權利要求
之一所述的裝置，其特徵為在高壓容器(101，201，301，401，501，601)內部安置著一個確定的反射面。
專利摘要
本發明涉及在一個高壓容器內、尤其是一個共軌中溫度和壓力的檢測。根據本發明，提出了一種方法，利用該方法，一個超聲波發射器(5，105，205，305，405，605)以及一個超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)可以根據一個壓力脈衝的傳播時間，檢測出處於高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)內部的一種介質中的壓力。為此，本發明建議超聲波接收器確定在一個附加的元件內傳播的壓力脈衝及其相應的傳播，以便由此計算出溫度。這裡，該附加的元件設置於超聲波發射器(5，105，205，305，405，605)或超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)與所述介質之間。
文檔編號G01L11/06GK1993606SQ20058002587
公開日2007年7月4日 申請日期2005年6月2日
發明者斯特凡·米爾德斯, 奧利弗·施託爾 申請人:羅伯特·博世有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan