JP7637077B2 - System for measuring time-resolved flow-through processes of a medium and method for determining the coefficient of thermal expansion using said system - Google Patents
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Description
本発明は、入口と、出口と、入口と出口との間に配置され、少なくともポンプ、密度センサ、温度センサ、および電気部品または電子部品を備える流量計と、を備える、媒体の時間分解貫流プロセス測定システム、ならびに媒体の時間分解貫流プロセス測定システムを用いた熱膨張係数決定方法に関する。 The present invention relates to a time-resolved flow-through process measurement system for a medium, comprising an inlet, an outlet, and a flowmeter arranged between the inlet and the outlet, comprising at least a pump, a density sensor, a temperature sensor, and an electrical or electronic component, and to a method for determining a thermal expansion coefficient using the time-resolved flow-through process measurement system for a medium.
この種のシステムは、長年に亘って知られており、例えば内燃機関内の噴射量測定のために使用される。例えば、独国特許第1798080号明細書は、入口および出口を備えた電子制御される流量計について記載され、入口と出口との間には、ギアポンプの形態の回転ディスプレーサが配置され、ディスプレーサに平行な導管には、ピストンが測定室内に配置される。流量を決定するために、測定室内のピストンの変位が、光学センサを用いて測定される。ギアポンプの速度は、この信号に基づいて、可能な場合にはピストンが常に開始位置に戻されてバイパス導管内では小さい流れのみが発生するように、評価制御ユニットにて継続的に再調整される。よって、指定された時間間隔内の流量は、エンコーダにて測定されるギアポンプの回転または部分回転の回数と、1回転間のギアポンプの既知の送液体積とから計算される。 Systems of this kind have been known for many years and are used, for example, for injection quantity measurement in internal combustion engines. For example, DE 1798080 describes an electronically controlled flowmeter with an inlet and an outlet, between which a rotary displacer in the form of a gear pump is arranged and in a conduit parallel to the displacer a piston is arranged in a measuring chamber. To determine the flow rate, the displacement of the piston in the measuring chamber is measured by means of an optical sensor. Based on this signal, the speed of the gear pump is continuously readjusted in the evaluation and control unit so that, if possible, the piston is always returned to its starting position so that only a small flow occurs in the bypass conduit. The flow rate within a specified time interval is thus calculated from the number of revolutions or partial revolutions of the gear pump, measured by an encoder, and the known delivery volume of the gear pump during one revolution.
そのような方式で構築された流量測定装置が、ドイツ特許第10331228号明細書にも記載されている。正確な噴射流量曲線を決定するために、ギアポンプは、噴射が開始する前に一定した速度にそれぞれ設定され、その後ピストンの運動が測定されて、噴射曲線を決定するために使用される。 A flow measuring device constructed in such a way is also described in German Patent Specification No. 10331228. To determine the exact injection flow curve, the gear pump is respectively set to a constant speed before injection starts, and the piston movement is then measured and used to determine the injection curve.
測定される媒体の密度の変動に起因する測定値の誤差をさらに回避するために、媒体の時間分解貫流プロセスを測定するためのシステムが欧州特許公開第3073228号明細書に記載されており、ここでは、測定される媒体の既存密度に関する正確な記述を正確なタイミングで行えるように、流量計の導管部が、ポンプおよび密度センサが中に直列に配置されたバイパス導管を用いてバイパス可能であり、密度は、測定された体積流量から質量流量を計算するために使用できる。 To further avoid errors in the measurement due to variations in the density of the medium being measured, a system for measuring the time-resolved flow-through process of a medium is described in EP 3073228 A1, in which the flowmeter conduit can be bypassed by means of a bypass conduit in which a pump and a density sensor are arranged in series, so that an accurate statement of the existing density of the medium being measured can be made at precisely the right time, which can be used to calculate the mass flow rate from the measured volumetric flow rate.
また、独国特許公開第102010045521号明細書から、測定ボリューム内に燃料を導入し、測定ボリューム内の燃料にエネルギーを供給することで燃料の熱膨張を決定することも知られている。初期状態および最終状態における圧力が測定され、その圧力差から熱膨張が計算される。そのようにして得られた測定値を用いて、使用される物質の混合についての結論を引き出すこともできる。
It is also known from
市場で現在入手可能な測定計器では、体積測定貫流が測定された温度への変換を回避するために、体積測定貫流も同じく測定される温度で可能な限り正確に密度を決定しようとする試みがなされており、その理由は、そのような変換のためには熱膨張の正確な係数が分からなければならない。また、測定された体積測定貫流を基準温度における体積測定貫流に変換することも、熱膨張の係数なしでは不可能であり、そのため、対応する媒体の事前処理が必要となる。しかし、測定される媒体の組成はある程度変化するため、熱膨張の係数の事前測定は多くの場合十分でないことが示されている。さらに、特に小型化に起因して、しばしば密度センサの近傍に発熱部品があり、それにより、密度センサにおける温度が流量計自体における媒体の温度と異なるという問題が発生する。このことにより、ギア温度での体積または密度への変換の必要性が生じ、そのためには膨張の正確な係数が分からなくてはならない。 In measuring instruments currently available on the market, in order to avoid conversion to the temperature at which the volumetric flow is measured, an attempt is made to determine the density as accurately as possible at the temperature at which the volumetric flow is also measured, since for such a conversion the exact coefficient of thermal expansion must be known. It is also not possible to convert the measured volumetric flow to the volumetric flow at the reference temperature without the coefficient of thermal expansion, which requires a corresponding pretreatment of the medium. However, it has been shown that a premeasurement of the coefficient of thermal expansion is often not sufficient, since the composition of the medium to be measured changes to some extent. Furthermore, especially due to miniaturization, there are often heat-generating components in the vicinity of the density sensor, which causes the problem that the temperature at the density sensor differs from the temperature of the medium at the flowmeter itself. This creates the need for a conversion to volume or density at the gear temperature, for which the exact coefficient of expansion must be known.
したがって、本発明の目的は、媒体の時間分解貫流プロセス測定システム、ならびにそのシステムを用いた熱膨張係数決定方法を提供することであり、これらを用いて、この目的のために追加的な測定装置を使用する、または別個のサンプルを測定する必要なしに、熱膨張係数を可能な限り正確に決定でき、それを標準化された体積測定貫流または質量流量の計算で使用できる点で、知られているシステムおよび方法と比べて測定結果が改良される。特に、目的は、正確な測定値を得るために体積と正確に同じ温度で密度を測定する必要性を回避することである。 The object of the present invention is therefore to provide a time-resolved flow-through process measuring system for a medium, as well as a method for determining the thermal expansion coefficient using said system, with which the thermal expansion coefficient can be determined as accurately as possible without the need to use additional measuring devices for this purpose or to measure a separate sample, and which leads to improved measurement results compared to known systems and methods in that it can be used in the calculation of a standardized volumetric flow-through or mass flow rate. In particular, the object is to avoid the need to measure the density at exactly the same temperature as the volume in order to obtain an accurate measurement value.
この問題は、請求項1の特徴を有する媒体の時間分解貫流プロセス測定システム、ならびに請求項11に記載のシステムを用いた熱膨張係数決定方法にて解決される。 This problem is solved by a time-resolved flow-through process measurement system for a medium having the features of claim 1, as well as a method for determining the thermal expansion coefficient using the system described in claim 11.
媒体の時間分解貫流プロセス測定システムに関し、この目的は、密度センサ、または密度センサのすぐ上流で密度センサに通じる導管部が、発熱する電気部品または電子部品と熱伝導接触しており、ポンプが速度制御されるという点で解決される。何故ならば、そのような機構を用いると、本発明に係る方法を実施可能となるためであり、この方法では、発熱する電気部品または電子部品にて加熱される媒体の密度および温度が、ポンプの2つの異なる回転速度において密度センサおよび温度センサで測定され、熱膨張係数が、密度センサの測定値と、関連する温度センサの測定値とから計算される。通常、回転速度は恒久的に変更され、それに応じて多数回の測定が行われる。そして、この計算は、例えば、式:γ=1/(T2-T1)(ρ1/ρ2-1)を使用して、2つの異なる速度での2つの異なる測定値に対して行われる。温度センサはしばしば密度センサに組み込まれ、そのため、測定される温度は、密度センサにおける温度にも対応する。最初に、ポンプの第1指定回転速度で測定が行われる。このことは、媒体が第1温度で密度センサに到達することを意味し、この温度は、密度センサまたは密度センサに直接通じる導管部が発熱部品と熱伝導接触しているため、わずかに高い。よって、流量計の残りの部分で運搬される媒体の温度よりも高い第1温度について、第1密度が測定される。例えばこのときポンプの回転速度が上げられると、より多くの冷たい媒体が流量計から循環され、その媒体はそれに対応してヒートシンクとして作用し、結果として温度センサで温度の低下が生じると共に、熱源に近接している、すなわち発熱部品の箇所に位置している密度センサで異なる密度が生じ、その結果、最初の測定とは異なる密度が測定される。したがって、ポンプの速度を変化させることにより、多数回の測定を異なる温度で行うことができ、よって、熱膨張の係数を高度に動的な形で非常に正確に計算できる。よって、この機構を用いて、流量計内の流体特性を能動的に追跡できる。 For a time-resolved flow-through process measuring system of a medium, this object is solved in that the density sensor or the conduit section leading to the density sensor immediately upstream of the density sensor is in heat-conducting contact with a heat-generating electric or electronic component and the pump is speed-controlled, since with such an arrangement it is possible to carry out the method according to the invention, in which the density and temperature of the medium heated in the heat-generating electric or electronic component are measured with a density sensor and a temperature sensor at two different rotational speeds of the pump and the thermal expansion coefficient is calculated from the measured values of the density sensor and the associated temperature sensor. Usually the rotational speed is permanently changed and a number of measurements are made accordingly. This calculation is then carried out for two different measured values at two different speeds, for example using the formula: γ=1/(T 2 -T 1 )(ρ 1 /ρ 2 -1). A temperature sensor is often integrated in the density sensor, so that the measured temperature also corresponds to the temperature at the density sensor. Firstly, a measurement is made at a first specified rotational speed of the pump. This means that the medium arrives at the density sensor at a first temperature, which is slightly higher because the density sensor or the conduit directly leading to the density sensor is in thermally conductive contact with the heat generating component. A first density is then measured for a first temperature that is higher than the temperature of the medium conveyed in the rest of the flowmeter. If, for example, the pump speed is then increased, more cold medium is circulated from the flowmeter, which medium acts as a corresponding heat sink, resulting in a decrease in temperature at the temperature sensor and a different density at the density sensor located close to the heat source, i.e. at the heat generating component, which results in a density measurement different from the first measurement. Thus, by varying the pump speed, multiple measurements can be made at different temperatures, so that the coefficient of thermal expansion can be calculated very accurately in a highly dynamic manner. This mechanism can therefore be used to actively track the fluid properties in the flowmeter.
また、密度センサが、特に制御可能な熱源を備えれば、有利である。すなわち、熱源は好ましくは、密度センサに組み込まれる。この場合には、循環される流体の量の代わりに熱源が制御される。そして、これは、ポンプを用いた循環量制御に相当するものとみなすことができ、したがってポンプは一定した速度で回転することになる。両方の制御方式の組み合わせも、無論可能である。これにより複雑性が増大するが、その場合、温度制御がさらに柔軟になり、より高い組み込みレベルが達成可能となる。 It is also advantageous if the density sensor comprises a particularly controllable heat source, i.e. the heat source is preferably integrated into the density sensor. In this case, the heat source is controlled instead of the amount of circulated fluid. This can then be considered as equivalent to circulating volume control with a pump, which therefore rotates at a constant speed. A combination of both control methods is of course also possible. This increases the complexity, but in that case the temperature control becomes more flexible and a higher level of integration can be achieved.
好ましくは、流量計は、主導管を備え、この主導管を介して入口が出口に流体接続され、主導管内にディスプレーサが配置され、主導管は、バイパス導管を用いてバイパス可能であり、バイパス導管は、入口とディスプレーサとの間で主導管から分岐し、ディスプレーサと出口との間で主導管に開口し、圧力差トランスデューサがバイパス導管内に配置され、ディスプレーサは、圧力差トランスデューサに存在する圧力差に依存して、電子ユニットによって制御可能な駆動モータにて駆動され、ディスプレーサの駆動モータまたは電子ユニットは、密度センサまたは密度センサのすぐ上流で密度センサに通じる導管部と熱伝導接触している発熱する電気部品または電子部品として作用する。それに応じて、媒体は、密度センサのすぐ上流でまたは密度センサの箇所で密度センサに通じる導管部内のディスプレーサの電子ユニットおよび/または駆動モータにて加熱される。そのような流量計は、高精度で動作し、比較的小さい設置空間内に実現可能である。電子部品および/または電気部品を、流体特性曲線を追跡するための熱源として使用することにより、熱膨張の係数を決定するための追加的な部品が排除される。 Preferably, the flowmeter comprises a main conduit through which the inlet is fluidly connected to the outlet, a displacer is arranged in the main conduit, the main conduit can be bypassed by means of a bypass conduit that branches off from the main conduit between the inlet and the displacer and opens into the main conduit between the displacer and the outlet, a pressure differential transducer is arranged in the bypass conduit, the displacer is driven by a drive motor controllable by an electronic unit depending on the pressure difference present at the pressure differential transducer, the drive motor or electronic unit of the displacer acts as a heat-generating electric or electronic component in heat-conducting contact with the density sensor or the conduit section leading to the density sensor immediately upstream of the density sensor. Accordingly, the medium is heated at the electronic unit and/or the drive motor of the displacer in the conduit section leading to the density sensor immediately upstream of or at the density sensor. Such a flowmeter operates with high accuracy and can be realized in a relatively small installation space. By using electronic and/or electrical components as the heat source to trace the fluid characteristic curve, additional components to determine the coefficient of thermal expansion are eliminated.
システムの好ましいさらなる発展形態において、主導管の導管部またはバイパス導管は、上記ポンプおよび密度センサが中に直列に配置された第2バイパス導管を用いてバイパス可能である。よって、循環がバイパス内で発生するため、媒体の密度は、測定回路に対するフィードバック効果を伴わずに測定中に決定できる。媒体は、主導管のバイパスされる導管部またはバイパスされる導管から熱を吸収する。電子部品にて加熱されない媒体、すなわちバイパスラインまたは主導管内の主流は、それに応じて、ヒートシンクとして作用し、それにより、循環される媒体流が再度冷却される。 In a preferred further development of the system, the conduit section of the main conduit or the bypass conduit can be bypassed by means of a second bypass conduit in which the pump and the density sensor are arranged in series. Thus, the density of the medium can be determined during the measurement without feedback effect on the measurement circuit, since circulation occurs in the bypass. The medium absorbs heat from the bypassed conduit section of the main conduit or the bypassed conduit. The medium that is not heated by the electronic components, i.e. the main flow in the bypass line or main conduit, accordingly acts as a heat sink, whereby the circulated medium flow is cooled again.
好ましくは、ポンプは、第2駆動モータを介して駆動されると共に、制御ユニットにて制御可能であり、制御ユニットおよび/または駆動モータは、密度センサまたは密度センサのすぐ上流で密度センサに通じる導管部と熱伝導接触している発熱する電気部品または電子部品として作用する。第2駆動モータは、2つの測定値から可能となる熱膨張係数を決定可能にするために、少なくとも2つの異なる速度を用いて制御ユニットにて制御される。この熱膨張係数の決定は、ポンプの異なる速度で取られる測定値の数が増えるに連れて、より正確になる。 Preferably, the pump is driven via a second drive motor and is controllable by a control unit, the control unit and/or the drive motor acting as a heat-generating electric or electronic component in thermally conductive contact with the density sensor or with a conduit section immediately upstream of the density sensor leading to the density sensor. The second drive motor is controlled by the control unit with at least two different speeds to allow a determination of the thermal expansion coefficient possible from two measurements. This determination of the thermal expansion coefficient becomes more accurate as the number of measurements taken at different speeds of the pump increases.
また、そのようにして、上記方法に関して、媒体が、密度センサの上流にまたは密度センサの箇所にあるバイパスラインの導管部内のポンプの第2駆動モータおよび/または制御ユニットにて加熱可能である。よって、ポンプの駆動モータまたは制御ユニットが熱源の役割を果たし、そのため、特性曲線に沿って動作する可能性が与えられる。したがって、ディスプレーサの駆動に加えて、ポンプの駆動は、熱源の役割も直接果たすことができ、これはシステムの設計の観点から好ましい方どちらでもよい。また、媒体が、追加的または代替的に、この目的のために専用に設けられる加熱要素にて加熱可能である。 Also in this way, for the above method, the medium can be heated in a second drive motor and/or control unit of the pump in the conduit section of the bypass line upstream of the density sensor or at the density sensor. This gives the possibility for the drive motor or the control unit of the pump to act as a heat source and thus to operate along a characteristic curve. Thus, in addition to driving the displacer, the drive of the pump can also directly act as a heat source, which may be preferred from the point of view of the design of the system. Also, the medium can be heated additionally or alternatively by a heating element that is provided specifically for this purpose.
バイパスラインの結果として流量計の測定値に、および特に圧力差トランスデューサに及ぼされる影響を排除するために、ポンプは、無脈動となるように、特にテスラポンプとして構成される。これによっても密度センサの測定値の誤差を排除し、密度センサは、例えばMEMSセンサとして設計される場合、または肉眼で見えるセンサの場合に、媒体の脈動のためにそれ自体が励振されて発振する可能性がある。テスラポンプは、羽を使用する必要なく、単に粘着力を使用して流体の既存の粘性に基づいて流体を運搬する。この目的のために、その間に媒体が中央に導入される、互いと並べて配置されたいくつかの円盤が駆動モータにて回転され、したがって、外向きに増大する速度による粘性および粘着のために、媒体が回転方向で接線方向に、かつ径方向外側に運搬される。この結果、効率が良好な無脈動の運搬が生じる。 In order to eliminate the influence on the flowmeter measurements and in particular on the pressure differential transducer as a result of the bypass line, the pump is configured to be pulsation-free, in particular as a Tesla pump. This also eliminates errors in the measurements of the density sensor, which can itself be excited into oscillations due to the pulsations of the medium if it is designed, for example, as a MEMS sensor or in the case of a macroscopic sensor. The Tesla pump conveys the fluid based on the existing viscosity of the fluid, without the need to use vanes, simply using adhesion forces. For this purpose, several disks arranged next to each other, between which the medium is introduced in the middle, are rotated by a drive motor, so that the medium is conveyed tangentially in the direction of rotation and radially outward due to viscosity and adhesion due to the outwardly increasing speed. This results in an efficient pulsation-free conveyance.
より高度な実施形態において、テスラポンプは、媒体の運搬方向でバイパス導管内の密度センサの上流に配置され、それにより、起動時にセンサのエリア内で気泡がポンプに到達することを防止する。そのような気泡は、媒体の粘着力が不十分なためにテスラポンプにて運搬できず、そうでなければポンプの効率を極めて低下させる。 In a more advanced embodiment, the Tesla pump is placed upstream of the density sensor in the bypass conduit in the direction of medium transport, thereby preventing air bubbles in the area of the sensor from reaching the pump during start-up. Such air bubbles cannot be transported by the Tesla pump due to insufficient adhesion of the medium, which would otherwise significantly reduce the efficiency of the pump.
また、第2バイパス導管が、入口と圧力差トランスデューサとの間で第1バイパス導管から分岐し、第1バイパス導管に開口すれば有利である。一方、この位置は非常にアクセスしやすく、そのため短い接続ラインで十分であり、他方、測定室における流れを作り出すことなく、媒体を直接循環できるため、流量計の測定に対する影響が防止される。 It is also advantageous if the second bypass conduit branches off from the first bypass conduit between the inlet and the pressure differential transducer and opens into the first bypass conduit. On the one hand, this location is very accessible, so that short connecting lines are sufficient, and on the other hand, the medium can be circulated directly without creating a flow in the measuring chamber, thus preventing any influence on the flowmeter measurement.
一方で密度と同じ場所で温度を測定し、他方でシステムの機構を簡略にするために、温度センサは密度センサに組み込まれる。 In order to measure the temperature at the same place as the density on the one hand and to simplify the mechanics of the system on the other hand, the temperature sensor is integrated into the density sensor.
また、システムの構造の簡略化は、ポンプの第2駆動モータの制御ユニットが電子ユニットに組み込まれることで達成される。 The system structure is also simplified by incorporating the control unit for the pump's second drive motor into the electronic unit.
よって、媒体の時間分解貫流プロセス測定システム、ならびにそのシステムを用いた熱膨張係数決定方法が提供され、これらを用いて、媒体の熱膨張係数を高度に動的な形で高精度に決定するために、それぞれ使用される媒体の流体特性曲線を流量計で直接追跡できる。したがって、得られた値は、流量計にて決定される質量および体積測定貫流の計算で使用でき、よって、それらも、より高い精度を備える。この目的のために追加的な構成要素は必要とされない。代わりに、特性曲線を追跡する際に、いずれにせよ熱を発生する部品が熱源として使用され、より冷たい媒体がヒートシンクとして使用される。 Thus, a time-resolved flow-through process measurement system for a medium, as well as a method for determining the thermal expansion coefficient using said system, is provided, with which the flow characteristic curve of the respective medium used can be traced directly in the flowmeter in order to determine the thermal expansion coefficient of the medium in a highly dynamic manner with high accuracy. The obtained values can thus be used in the calculation of the mass and volumetric flow-throughs determined in the flowmeter, which therefore also have a higher accuracy. No additional components are required for this purpose. Instead, when tracing the characteristic curve, the components which generate heat in any case are used as heat sources and the cooler medium is used as heat sink.
本発明に係る媒体の時間分解貫流プロセス測定システム、ならびにそのシステムを用いた熱膨張係数決定方法が、以下で図に示される非制限的な実施形態例に基づいて説明される。 The time-resolved flow-through process measurement system of the present invention and the method for determining the thermal expansion coefficient using the system are described below based on non-limiting example embodiments shown in the figures.
図1に示す、本発明に係る媒体の時間分解貫流プロセス測定システムは、流量計10からなり、入口12および出口14と、第2バイパス導管16とを備え、第2バイパス導管16を用いて、流量計10の導管部18がバイパス可能である。
The time-resolved flow-through process measurement system of the present invention, shown in FIG. 1, comprises a
入口12を通じ、測定対象の媒体、特に燃料が、流量計10の主導管20に入る流れを生成する装置から流れる。ダブルギアポンプの形態の回転ディスプレーサ22が、この主導管20内に配置される。ディスプレーサ22の下流で、主導管20は出口14で終端する。回転ディスプレーサ22は、継手またはギアボックスに結合された駆動モータ24にて駆動され、駆動モータ24は、電子ユニット25にて制御される。
Through the
第1バイパス導管26が、入口12と回転ディスプレーサ22との間で主導管20から分岐し、回転ディスプレーサ22の下流で、回転ディスプレーサ22と出口14との間で再び主導管20に開口し、主導管20と同様に入口12および出口14と流体接続されている。並進圧力差トランスデューサ28がこのバイパスライン26内に配置され、このトランスデューサは、測定室30と、自由に変位できるように測定室30内に配置されたピストン32とからなり、ピストン32は、測定媒体、すなわち燃料、と同じ比重を備え、測定室30と同様に円筒形状であり、よって、測定室30は、ピストン32の外径に実質的に対応する内径を有する。ピストン32の前側と後ろ側との間の圧力差が加えられると、静止位置からのピストン32の変位が起こる。したがって、ピストン32の変位は、加えられる圧力差分の関数である。測定室30に変位センサ34が配置され、これは、ピストン32と動作的に接続され、中でピストン32の変位の大きさに依存した電圧が生成される。この変位センサ34は、測定室30に取り付けられ、特に、自身に作用する磁石36の場の強度を電圧に変換する磁気抵抗センサである。この目的のために、磁石36は、ピストン32の重心に取り付けられる。しかし、光センサが変位センサ34として用いられてもよい。
A
変位センサ34は電子ユニット25にも接続され、電子ユニット25は、それに応じて、変位センサ34の測定値を評価し、それを駆動モータ24への制御信号に変換するために使用され、駆動モータ24は、ピストン32が常に定められた開始位置にあるように制御される。よって、回転ディスプレーサ22は、噴射された媒体のためにピストン32で生じる圧力差を、運搬にて常に概ね補償する。このことは、ピストン32が右に変位されると、ポンプ速度がこの変位の大きさの関数として増大され、その逆も同様であることを意味する。この目的のために、ピストン32の変位またはそれによって測定室30内で押しのけられる体積が、伝達関数によって、要求される回転ディスプレーサ22の送液体積または駆動モータ24の速度に変換され、それに応じて駆動モータ24に電流が供給される。しかし、電子ユニット25は、駆動モータ24を駆動するための発熱するパワー半導体も含む。
The
圧力測定要素40が測定室30に配置され、温度測定要素42が回転ディスプレーサ22のすぐ後方に位置して配置され、これらは、この領域内で発生する圧力および温度を継続的に測定し、測定室30内の密度の変化を計算の際に考慮できるように次いでそれらを電子ユニット25に供給する。
A
一連の測定は、電子ユニット25で決定される総流量を計算する際に、ピストン32の移動または位置および測定室30内で押しのけられる体積のために生じるバイパスライン26内の流量と、固定の時間間隔内の回転ディスプレーサ22の実際の流量との両方が考慮され、両方の流量を共に足して総流量を決定するように実施される。
A series of measurements are performed such that when calculating the total flow rate determined by the
ピストン32における流量は、例えば、変位センサ34に接続された電子ユニット25内でピストン32の変位を微分し、次いでそれにピストン32の基部面積を乗算して、上記時間間隔の間のバイパスライン26内の体積測定貫流を得ることで決定される。
The flow rate at the
回転ディスプレーサ22、およびしたがって主導管20を通る流量は、ディスプレーサ22を制御するための決定された制御データから決定することも、または、例えば光学エンコーダや磁気抵抗センサにより、ディスプレーサ22または駆動モータ24において直接測定されたときの回転速度を使用して計算することもできる。
The flow rate through the rotating
本実施形態において、第2バイパス導管16は、入口12と測定室30との間でバイパス導管26から分岐し、導管部18をバイパスして、測定室30の上流で再びバイパス導管26に入る。この第2バイパス導管16を主導管20またはバイパス導管26の任意の他の位置で分岐させ、再び入るようにすることも可能であるが、第2バイパス導管16は、ディスプレーサ22も圧力差トランスデューサ28もバイパスすべきでない。
In this embodiment, the
分岐44とバイパス導管26への開口46との間に、テスラポンプの形態の無脈動ポンプ48と密度センサ50とが、バイパス導管16内に互いに続いて直列に配置される。通常は、密度が測定される温度が正確に分かるように、温度センサ51も密度センサ50内に含まれる。この密度センサ50は、例えばコリオリの原理に従って測定するMEMSセンサとして定義されてよい。テスラポンプ48は第2駆動モータ52にて駆動され、第2駆動モータ52は制御ユニット54にて制御され、制御ユニット54は、本実施形態では電子ユニット25に組み込まれている。よって、第2駆動モータ52と、温度センサ51を備える密度センサ50とは、電子ユニット25に電気的に接続され、そのため、密度センサ50の測定値を使用して、計算された流れ値を媒体の密度に関する追加的な情報にて改良し、テスラポンプ48を制御でき、それにより密度センサ50を介して流れが保証され、その測定値は、そうでなければ、流れの停滞のために測定室内で測定される実際の値からずれる。また、テスラポンプ48の無脈動の送液も、センサ50の測定値が誤ったものになることを防止する。
Between the
これは、センサ50が常に、正確に定められた周波数で発振するためであり、周波数はセンサの設計に依存する。MEMSセンサは、小型の設計に起因して、従来のセンサよりもはるかに高い発振周波数を有する。一般的な密度センサの場合、発振周波数は、100Hz~1kHzの間であり、MEMSセンサでは、通常、1kHzまたはそれ以上である。よって、ここでテスラポンプ48が、センサ50の発振周波数と近い脈動を生成すると、センサ50が妨害されるため、ポンプの脈動は避けるべきである。よって、バイパス導管26の導管部18は、テスラポンプ48にてポンプ動作されるときに第2バイパス導管16を用いてバイパスされ、バイパス導管26へのバイパス導管16の開口46から分岐44まで、導管部18をまたぐ回路流を作り出し、この理由は特に、理想的には、回転ディスプレーサ22がピストン32にまたがる圧力差分を完全に補償し、したがって理想的にはバイパス導管26内に流れが発生しないためである。
This is because the
流量計10のバイパス導管26の流れ断面は、第2バイパス導管16の断面よりも大幅に大きく、第2バイパス導管16の直径は例えば約4mmであり、そのため、必要な圧力差を作り出すために比較的少量の流れで済む。ポンプ48の脈動がないことと、そのようなより少ない流れの量とにより、不要な流れまたは脈動に起因する、ディスプレーサ22および圧力差トランスデューサ28の制御回路に対するフィードバック効果が実質的に存在しないことが保証される。したがって、正確な追加的情報が電子ユニット25に供給され、それを、ディスプレーサ22の制御と貫流の計算の両方で使用でき、それにより結果をさらに改良する。
The flow cross section of the
密度センサ50の測定値を使用できるようにするために、このセンサ50が、流量計10が動作する温度、すなわち、測定室30またはディスプレーサ22に存在する温度、と正確に同じ温度で媒体の密度を測定することが必要である。しかし、これは通常該当せず、その理由は、通常は周囲熱を通じて、システム内の異なる位置における温度が、よって密度も異なることがあり、それが測定ずれを引き起こすためである。これは、センサ50,51に対する電子ユニット25からなどの発熱部品の影響が増大するため、より小型の測定装置に対する要求にてさらに増大する。これは特に小さい流量で該当し、それは、その場合には少量のみの条件付けされた新しい媒体がセンサ50内に運搬されるためである。その結果、最も小さい熱源でも、媒体の著しい加熱を引き起こすために十分となる。別個の条件付け経路でセンサ全体を条件付け、それによりこの影響を低減可能である。しかし、これは、特にモバイル用途では、センサに接続され得る条件付け回路がないため、センサ50の著しい制限を呈する。
In order to be able to use the measured values of the
それでも測定値を使用できるようにするには、決定された体積測定貫流の変換が必要となり、それにより、この場合の温度差、およびその結果生じる体積差が補償される。しかし、そのような変換のためには、それぞれ使用される媒体の熱膨張係数が分からなければならない。これは、特定の基準温度に対する測定体積が決定されなければならないときにも、必ず必要とされる。過去にはサンプルを検査所に送って熱膨張係数を決定していたが、測定対象の燃料の組成は頻繁に変化し、したがって膨張係数の高度に動的な判定に対する要求があるため、これは今日ではもはや十分でない。 To still be able to use the measured values, a conversion of the determined volumetric flow-through is necessary, so that the temperature differences and thus the resulting volume differences are compensated for. However, for such a conversion the thermal expansion coefficient of the respective medium used must be known. This is also necessary whenever a measurement volume for a certain reference temperature has to be determined. In the past, samples were sent to a laboratory to determine the thermal expansion coefficient, but this is no longer sufficient today, since the composition of the fuel to be measured changes frequently and therefore there is a demand for a highly dynamic determination of the expansion coefficient.
本発明によれば、熱膨張係数を決定するために、密度センサ50または密度センサ50に直接通じる第2バイパス導管16の導管部56は、既存システムの発熱部品に結合されるかまたは熱伝達が発生するようにその近くに配置され、そのため、それぞれの発熱部品が熱源の役割を果たす。
In accordance with the present invention, to determine the coefficient of thermal expansion, the
本実施形態では、図2で、媒体への熱伝達が発生し、かつ電子ユニット25および駆動モータ24が熱源の役割を果たすように、密度センサ50および密度センサ50に通じる第2バイパス導管16の導管部56が、ディスプレーサ22の駆動モータ24および電子ユニット25の近くに配置されていることが見て取れる。その結果、密度センサ50に到達する媒体は、バイパス導管26および主導管20ならびに測定室30内の媒体よりもわずかに高い温度を備える。ここでこの差を使用して、テスラポンプ48を、少なくとも2つ、ただし通常は数個の、異なる速度で駆動することにより、媒体の温度特性曲線に沿って動作する。これら異なる速度の結果、密度センサ50で、また温度センサ51でも異なる温度が生じ、この理由は、流量が増大するにつれて、ヒートシンクとして作用するバイパスライン26から注入されるより冷たい媒体の影響が増大し、また電子ユニット25にて形成される熱源の影響が、この熱源がより短い時間だけ媒体に作用するので、減少するためである。このようにして、異なる温度における異なる密度が、密度センサ50で、よって温度センサ51で測定されることが可能となり、次いでそれから、式:γ=1/(T2-T1)(ρ1/ρ2-1)を用いて、すでに2つの異なる温度について、熱膨張の係数を計算できる。より多くの回数の測定が行われ、その結果として、特性曲線全体を追跡し、より大きい温度スペクトルを使用して熱膨張係数を決定可能となることにより、特に熱膨張係数が一定でない非線形媒体の場合に、決定される熱膨張係数の精度が向上される。例えば、水を含有する溶液では、膨張の係数は温度と共に大きく変動し、そのため、そのような溶液には最大の可能な回数の測定が行われなければならない。また、それぞれ決定された密度と温度の値の対を重み付け可能であり、これは、例えばより古い測定値の影響を低減でき、そのため、一定の期間が経過した後、古い値の対は、熱膨張係数を決定する際に考慮されない。
In this embodiment, it can be seen in Fig. 2 that the
さらに、対応する既知の燃料の特性曲線が記憶されていれば、特性曲線の追跡を用いて、使用される燃料の組成を決定することが可能である。例えば水の場合にそうであるように、勾配変化または反転点を有する特性曲線を完全に評価することも可能である。 Furthermore, by means of tracing the characteristic curve, it is possible to determine the composition of the fuel used, if the characteristic curve of the corresponding known fuel is stored. It is also possible to fully evaluate the characteristic curve with its slope change or reversal point, as is the case for water, for example.
要約すると、熱膨張係数決定方法およびその方法に適する媒体の時間分解貫流プロセス測定システムが提供され、これらを用いて、熱膨張係数を既存の機器内で高度に動的に決定でき、それを噴射燃料量の計算で使用して、結果の精度をさらに改良できる。この方法を使用することにより、膨張の係数が変換に使用可能であるため、体積が測定される正確にその温度で密度を測定することを不要にできる。これは特に、測定機器の着実な小型化のために必要である。基準温度へ変換可能である。 In summary, a method for determining the coefficient of thermal expansion and a time-resolved flow-through process measurement system for a medium suitable for the method are provided, by means of which the coefficient of thermal expansion can be determined in a highly dynamic manner within existing equipment, which can be used in the calculation of the injected fuel quantity to further improve the accuracy of the results. By using this method, it is not necessary to measure the density at exactly the temperature at which the volume is measured, since the coefficient of expansion is available for conversion. This is especially necessary due to the steady miniaturization of measuring equipment. Convertible to a reference temperature.
よって、流量計は、時間的に高度に分解された貫流プロセスを高精度で継続的に計算し、特に媒体の熱膨張係数に関して、既知の構成と比較して、システムを制御するためまたは測定結果を評価するための追加的なデータを提供する。 The flowmeter thus continuously calculates the time-resolved flow process with high precision and, in particular with regard to the thermal expansion coefficient of the medium, provides additional data for controlling the system or for evaluating the measurement results in comparison with known configurations.
本発明は記載される実施形態に限定されず、主要請求項の保護範囲内で様々な変更が可能であることが明らかであろう。原則として、他の継続的に動作する流量計が使用されてよく、またはバイパス導管は、対応する導管部を流量計の別の位置でバイパスできる。また、テスラポンプの駆動モータまたは制御ユニットなどの他の構成要素が熱源として使用される。他の流量計では、他の発熱部品が、特性曲線を追跡する目的に使用される。 It will be clear that the invention is not limited to the described embodiments, but various modifications are possible within the scope of protection of the main claims. In principle, other continuously operating flowmeters may be used, or a bypass conduit can bypass the corresponding conduit section at another location of the flowmeter. Also, other components such as the drive motor or the control unit of the Tesla pump are used as heat sources. In other flowmeters, other heat-generating components are used for the purpose of tracking the characteristic curve.
Claims (15)
出口(14)と、
前記入口(12)と前記出口(14)との間に配置され、少なくとも、ポンプ(48)、密度センサ(50)、温度センサ(51)、および電気部品または電子部品を備える、
流量計(10)と、
を備える、媒体の時間分解貫流プロセス測定システムであって、
前記密度センサ(50)、または前記密度センサ(50)のすぐ上流で前記密度センサ(50)に通じる導管部(56)が、発熱する前記電気部品または前記電子部品と熱伝導接触し、前記ポンプ(48)が速度制御される、
ことを特徴とするシステム。 An entrance (12);
An exit (14); and
a pump (48), a density sensor (50), a temperature sensor (51), and electrical or electronic components disposed between the inlet (12) and the outlet (14);
A flow meter (10);
A time-resolved flow-through process measurement system for a medium, comprising:
the density sensor (50) or a conduit section (56) immediately upstream of the density sensor (50) leading to the density sensor (50) is in heat conducting contact with the heat generating electrical or electronic component, and the pump (48) is speed controlled.
A system characterized by:
圧力差トランスデューサ(28)が前記バイパス導管(26)内に配置され、
前記ディスプレーサ(22)は、前記圧力差トランスデューサ(28)に存在する圧力差に依存して、電子ユニット(25)にて制御可能な駆動モータ(24)にて駆動可能であり、
前記ディスプレーサ(22)の前記駆動モータ(24)または前記電子ユニット(25)は、前記密度センサ(50)または前記密度センサ(50)のすぐ上流で前記密度センサ(50)に通じる前記導管部(56)と熱伝導接触している発熱する電気部品または電子部品として作用する、
ことを特徴とする請求項1に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 the flow meter (10) comprises a main conduit (20), the inlet (12) is fluidly connected to the outlet (14) via the main conduit (20), a displacer (22) is disposed within the main conduit (20), the main conduit (20) is bypassable using a bypass conduit (26), the bypass conduit (26) branches off from the main conduit (20) between the inlet (12) and the displacer (22) and opens into the main conduit (20) between the displacer (22) and the outlet (14);
a pressure differential transducer (28) disposed within said bypass conduit (26);
The displacer (22) is drivable by a drive motor (24) controllable by an electronic unit (25) depending on the pressure difference present across the pressure differential transducer (28);
the drive motor (24) of the displacer (22) or the electronic unit (25) acts as a heat-generating electrical or electronic component in thermally conductive contact with the density sensor (50) or with the conduit (56) immediately upstream of and leading to the density sensor (50);
2. A system for measuring a time-resolved flow-through process of a medium according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 the conduit section (18) of the main conduit (20) or the bypass conduit (26) can be bypassed using a second bypass conduit (16) in which the pump (48) and the density sensor (50) are arranged in series;
3. A system for measuring a time-resolved flow-through process of a medium according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2または3に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 the pump (48) being driven via a second drive motor (52) and controllable by a control unit (54), the control unit (54) and/or the second drive motor (52) acting as a heat generating electrical or electronic component in thermally conductive contact with the density sensor (50) or with the conduit (56) immediately upstream of and leading to the density sensor (50);
4. A system for measuring a time-resolved flow-through process of a medium according to claim 2 or 3.
ことを特徴とする請求項4に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 The pump (48) is a non-pulsating pump.
5. A system for time-resolved flow-through process measurement of a medium according to claim 4.
ことを特徴とする請求項5に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 The non-pulsating pump (48) is a Tesla pump.
6. A system for measuring a time-resolved flow-through process of a medium according to claim 5.
ことを特徴とする請求項6に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 7. The system for time-resolved flow-through process measurement of a medium according to claim 6, characterized in that the Tesla pump (48) is arranged upstream of the density sensor (50) in the conveying direction.
ことを特徴とする請求項3に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 the second bypass conduit (16) branches off from the bypass conduit (26) between the inlet (12) and the pressure differential transducer (28) and opens into the bypass conduit (26);
4. A system for time-resolved flow-through process measurement of a medium according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 The temperature sensor (51) is integrated into the density sensor (50).
9. A system for measuring a time-resolved flow-through process of a medium according to any one of claims 1 to 8.
ことを特徴とする請求項4に記載の媒体の時間分解貫流プロセス測定システム。 the control unit (54) of the second drive motor (52) of the pump (48) is integrated into the electronic unit (25);
5. A system for time-resolved flow-through process measurement of a medium according to claim 4.
発熱する電気部品または電子部品にて加熱される媒体の密度および温度が、ポンプ(48)の2つの異なる回転速度において密度センサ(50)および温度センサ(51)で測定され、前記熱膨張係数が、前記密度センサ(50)の測定値と、対応する前記温度センサ(51)の測定値とから計算される、
ことを特徴とする方法。 11. A method for determining the thermal expansion coefficient of a medium according to any one of claims 1 to 10, comprising the steps of:
the density and temperature of a medium heated by a heat-generating electrical or electronic component are measured by a density sensor (50) and a temperature sensor (51) at two different rotational speeds of the pump (48), and the thermal expansion coefficient is calculated from the measurements of the density sensor (50) and the corresponding measurements of the temperature sensor (51),
A method comprising:
前記媒体が、前記密度センサ(50)のすぐ上流でまたは前記密度センサ(50)の箇所で前記密度センサ(50)に通じる導管部(56)内のポンプ(48)の電子ユニット(25)および/または第2駆動モータ(52)にて加熱される、
ことを特徴とする方法。 12. A method for determining the coefficient of thermal expansion according to claim 11, using a time-resolved flow-through process measurement system for a medium according to claim 2, comprising the steps of:
the medium is heated in an electronic unit (25) and/or a second drive motor (52) of a pump (48) in a conduit (56) leading to the density sensor (50) immediately upstream or at the density sensor (50);
A method comprising:
主導管(20)のバイパス可能導管部(18)またはバイパス導管(26)からの前記媒体が、第2バイパス導管(16)内の媒体流から熱を吸収する、
ことを特徴とする方法。 A method for determining the coefficient of thermal expansion according to claim 11, using a time-resolved flow-through process measurement system for a medium according to claim 3, comprising the steps of:
said medium from the bypassable conduit section (18) of the main conduit (20) or the bypass conduit (26) absorbs heat from the medium flow in the second bypass conduit (16);
A method comprising:
前記ポンプ(48)が第2駆動モータ(52)にて駆動され、前記第2駆動モータ(52)は、前記温度および前記密度の測定が前記密度センサ(50)および前記温度センサ(51)にて実行される少なくとも2つの異なる速度を用いて制御ユニット(54)にて制御される、
ことを特徴とする方法。 A method for determining a coefficient of thermal expansion according to claim 11 , comprising a time-resolved flow-through process measurement system for a medium according to claim 4, comprising:
the pump (48) is driven by a second drive motor (52) which is controlled by a control unit (54) with at least two different speeds at which the temperature and density measurements are performed by the density sensor (50) and the temperature sensor (51);
A method comprising:
前記媒体が、前記密度センサ(50)の上流にまたは前記密度センサ(50)の箇所にある第2バイパス導管(16)の導管部(56)内の、前記ポンプの第2駆動モータ(52)および/または前記第2駆動モータ(52)の前記制御ユニット(54)にて加熱される、
ことを特徴とする方法。 15. A method for determining the coefficient of thermal expansion according to claim 14, using a time-resolved flow-through process measurement system for a medium according to claim 4, comprising the steps of:
the medium is heated in a second drive motor (52) of the pump and/or in the control unit (54) of the second drive motor (52) in a conduit section (56) of a second bypass conduit (16) upstream of or at the density sensor (50);
A method comprising:
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