專利名稱:利用超聲波傳播時(shí)間測量同步確定高壓容器中壓力和溫度的方法與裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種如權(quán)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(quán)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(xiàn)有技術(shù)對處于高壓容器中的液體進(jìn)行壓力確定，在共軌系統(tǒng)中柴油壓力的檢測時(shí)、或者在其中可能出現(xiàn)高達(dá)2000bar的液體壓力的汽油噴射技術(shù)中尤其是必要的。在其他的工業(yè)領(lǐng)域中也對高壓容器中的液體壓力進(jìn)行檢測。為此，已經(jīng)公開了各種不同的壓力檢測技術(shù)。
一方面，能夠?qū)⒁粋€(gè)作為壓力傳感器的膜片或者一種另外的變形體集成于高壓容器的壁中，根據(jù)所謂的壓電阻(piezoresistiv)原理借助于壓力傳感器對其偏移量進(jìn)行檢測。
也可以將一個(gè)壓力傳感器完全地安置于高壓容器內(nèi)并因此使之直接設(shè)置于被檢測的介質(zhì)中，如同壓電阻材料使用時(shí)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(yùn)特性。
此外，公開了一種測量一個(gè)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(gè)安置于共軌或者汽油直接噴射器之外的超聲波發(fā)生器，它具有一個(gè)相應(yīng)的超聲波接收器，借助于它對由超聲波發(fā)生器發(fā)出的一個(gè)脈沖的傳播時(shí)間進(jìn)行檢測。超聲波透過壓力容器的外壁、接著在存儲于壓力容器中的液體中繼續(xù)傳播，并且在高壓容器的端部上被反射?，F(xiàn)在測量此超聲脈沖經(jīng)過這段確定的路程所需要的時(shí)間，其中由此確定脈沖速度并由此確定液體中的壓力?，F(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)脈沖速度，在這里作為用于確定壓力的參量是必須的，它與不同的因素相關(guān)。一方面它與高壓容器內(nèi)的壓力有關(guān)。更為重要的是脈沖速度與溫度有關(guān)。因此，重要的是為了精確地確定脈沖速度，必須對實(shí)際溫度進(jìn)行檢測。
雖然可以在相應(yīng)的壓力容器的外壁上安置一個(gè)熱電偶，它測量外壁的溫度。試驗(yàn)結(jié)果卻表明外壁的溫度有時(shí)比存放于壓力容器內(nèi)的介質(zhì)的實(shí)際溫度高。其結(jié)果是由脈沖速度計(jì)算出來的壓力與實(shí)際狀態(tài)不相符合。
本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種裝置和一種方法，借助其通過一個(gè)安置于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(nèi)的溫度。
該目的的實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)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(gè)超聲波傳感器發(fā)送的超聲波脈沖激勵(lì)一個(gè)另外的元件，并且也測量超聲波脈沖所經(jīng)歷的時(shí)間，其中，該時(shí)間又被確定用于計(jì)算高壓容器中內(nèi)部實(shí)際存在的溫度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)壓力的檢測原理是以超聲波速度與載體介質(zhì)中的壓力之間的公知的關(guān)系為基礎(chǔ)的。
測量出超聲波脈沖的傳播時(shí)間，就可以推斷出超聲波速度、并因此推斷出載體介質(zhì)的壓力。
為了測試目的，可以將根據(jù)ISO 4113的標(biāo)準(zhǔn)測試油填充到一個(gè)共軌(高壓容器)中。所需要的檢測機(jī)構(gòu)是一些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，因此可以獲得一個(gè)低成本的配置。傳播時(shí)間的測定本身隱含地通過壓力脈沖的整個(gè)傳播距離的平均測量來進(jìn)行。測量不會受到局部的單個(gè)壓力峰值的干擾，后者例如出現(xiàn)在諸如噴射器輸入管的附近。
根據(jù)本發(fā)明，由于所產(chǎn)生的壓力脈沖不僅穿過高壓容器中的介質(zhì)傳播，還會在高壓容器的其他部位以脈沖穿行，對該另外的脈沖的反射進(jìn)行測量，并將它通過一個(gè)確定的溫度關(guān)系轉(zhuǎn)化成與壓力和與超聲波速度的關(guān)系。這樣，根據(jù)由所述其他材料產(chǎn)生的這些反射，能夠推斷出溫度。
本發(fā)明的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能夠同步地、也就是同時(shí)地對溫度和壓力進(jìn)行檢測。這樣，能夠相對于超聲波脈沖的傳播時(shí)間補(bǔ)償溫度歷程。
本發(fā)明的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是以最簡單的手段、無需干預(yù)到壓力容器中地創(chuàng)造了一種檢測裝置，利用它能夠?qū)崿F(xiàn)壓力和溫度的精確測量。
本發(fā)明的一個(gè)有利的結(jié)構(gòu)是超聲波傳感器不是被安置于中心、而是在中心之外。所產(chǎn)生的超聲波脈沖因此不僅耦合進(jìn)入到載體介質(zhì)中去，而且有一個(gè)確定的部分進(jìn)入到共軌或者說高壓容器的外殼中。由于金屬中超聲波速度比在液體中高4至5倍，兩個(gè)應(yīng)答脈沖明顯地互相分開。
如果現(xiàn)在超聲波速度在管壁中與溫度有明確的關(guān)系，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(guān)。這樣，兩種效應(yīng)可以互相區(qū)分開。優(yōu)點(diǎn)是沿著高壓容器的長度檢測溫度，并因此非常接近于介質(zhì)的平均溫度。類似地，這種結(jié)構(gòu)也可通過一個(gè)相應(yīng)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?qū)χ械匕惭b。所耦合入的功率也能夠通過一個(gè)超聲波透鏡的聚焦特性來調(diào)節(jié)。
此外，還考慮了另一種可能的解決方案。有利地，在超聲波發(fā)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(gè)另外的元件?？梢砸罁?jù)其聲速的溫度的關(guān)系進(jìn)行理想的選擇。這樣，聲波首先耦合進(jìn)入到這個(gè)另外的元件之中。聲波在第一個(gè)邊界面上被反射。這個(gè)第一應(yīng)答脈沖就用來檢測溫度。而明顯遲后的第二個(gè)應(yīng)答脈沖被用來檢測壓力。
在第三個(gè)實(shí)施結(jié)構(gòu)中，有利地建議在超聲波發(fā)射器與高壓容器之間設(shè)置一個(gè)元件，它具有大的并且確定的線膨脹，該線膨脹依賴于實(shí)際溫度。該元件優(yōu)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，對于所應(yīng)用的溫度范圍而言，聲速應(yīng)盡可能與溫度無關(guān)或者只與溫度有很小的關(guān)系。線膨脹在超聲波頭的背側(cè)以一個(gè)彈簧懸掛器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，因此沒有高的機(jī)械應(yīng)力作用于元件上(阻止膨脹元件的壓縮)以及超聲波頭上。
本發(fā)明的另一有利的結(jié)構(gòu)，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(yīng)的超聲波脈沖。不過，為此需要使用一個(gè)強(qiáng)衰減的超聲波脈沖發(fā)生器，以便相應(yīng)的信號不會淹沒在激勵(lì)脈沖的衰減行為中。
在一個(gè)非常接近的方案中，在超聲波發(fā)射器之下的區(qū)域中將一個(gè)熱電偶澆入到所述另外的元件中。熱電偶被這樣安置，使得盡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于高壓容器中的介質(zhì)的溫度相符。
這里還要注意，耦合部位優(yōu)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(gòu)造可以從以下的說明書、附圖以及權(quán)利要求
中得出。
圖中所示為圖1一個(gè)高壓容器的示意圖，在一個(gè)共軌的結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)傳感器，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行壓力檢測；圖2一個(gè)第一實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力；圖3一個(gè)第二實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力；圖4一個(gè)第三實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力；
圖5一個(gè)第四實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力；圖6一個(gè)第五實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力；圖7一個(gè)第六實(shí)施例的示意圖，具有一個(gè)傳感器來檢測溫度和壓力。
具體實(shí)施方式圖1中示出了一個(gè)高壓容器1。該高壓容器1自身封閉起來，并在其空心室2內(nèi)包含著介質(zhì)3。在高壓容器1的端面4上，一個(gè)超聲波發(fā)射器5以及一個(gè)集成于超聲波發(fā)射器5中的超聲波接收器6、優(yōu)選構(gòu)造成一個(gè)構(gòu)件地安置著。
為了檢測壓力，超聲波發(fā)射器5發(fā)射出一個(gè)壓力脈沖7，它沿著箭頭方向8從超聲波發(fā)射器5進(jìn)入到介質(zhì)3中去。該壓力脈沖在與超聲波發(fā)射器5相對的一側(cè)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沖7后，根據(jù)高壓容器1的確定的長度L能夠計(jì)算出介質(zhì)3中的壓力。
圖2中示出了本發(fā)明的裝置的一個(gè)第一實(shí)施例。該裝置包括一個(gè)高壓容器101和一個(gè)位于高壓容器101內(nèi)的空心室102，后者中含有介質(zhì)103。此外，在高壓容器101的端面104上安置著一個(gè)超聲波發(fā)射和接收器105、106，它具有發(fā)射和接收雙重功能。超聲波發(fā)射和接收器105、106并非相對于高壓容器101的中心軸線111對稱安置，而是錯(cuò)開設(shè)置。通過由超聲波發(fā)射器105產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖107，一個(gè)第一壓力脈沖107a沿著箭頭方向108a在介質(zhì)103中繼續(xù)傳播。壓力脈沖107進(jìn)一步分成一個(gè)壓力脈沖107b，它在高壓容器101的材料中沿著箭頭方向108b繼續(xù)傳播。超聲波接收器106具有能夠接收兩個(gè)壓力脈沖107a和107b的特性，其中，由于材料(壓力脈沖107b能夠在高壓容器101的金屬內(nèi)部更快地傳播)，壓力脈沖107b首先被超聲波接收器106接收到。由于這個(gè)時(shí)間窗，可以用傳播時(shí)間來計(jì)算溫度。
圖3中示出了裝置的另一種構(gòu)造，它具有一個(gè)高壓容器201，一個(gè)空心室202和位于空心室中的介質(zhì)203。與圖2所示的裝置相比，它的不同之處在于超聲波接收器205和超聲波發(fā)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(fā)射器205或者超聲波接收器206的尺寸被這樣選擇，即，它伸展于高壓容器201的幾乎整個(gè)端面204上，因此它可以沿著箭頭方向208a、208b和208c發(fā)射壓力脈沖207b和207c以及介質(zhì)203中傳遞的壓力脈沖207a，或者接收它們。
圖4中示出了裝置的另一個(gè)實(shí)施例。該裝置包括一個(gè)高壓容器301以及一個(gè)設(shè)置于該高壓容器301內(nèi)的空心室302，后者中包含有介質(zhì)303。此外，在高壓容器310的端面304上安置著一個(gè)超聲波發(fā)射和接收器305、306，它不僅具有發(fā)射而且具有接收性能。其中，在超聲波發(fā)射器305及超聲波接收器306之間安置了一個(gè)元件313，它所具有的特性是將由超聲波發(fā)射器306產(chǎn)生的壓力脈沖307傳送到介質(zhì)303中沿著箭頭308a所示的方向作為壓力脈沖307a繼續(xù)傳播。在形成在元件313與空心室302之間的邊界層314上，壓力脈沖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，與所述另一壓力脈沖307a的應(yīng)答脈沖相比，所產(chǎn)生的壓力脈沖307b的應(yīng)答脈沖更早地進(jìn)入到超聲波接收器306中。
圖5中示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。這里所示的裝置也包括一個(gè)高壓容器401，其中，該高壓容器401具有一個(gè)空心室402，其中含有介質(zhì)403。超聲波發(fā)射器405和接收器406安置于高壓容器401的端面404上。在超聲波發(fā)射器405和接收器406與高壓容器401之間安置著一個(gè)元件413，它被設(shè)計(jì)為中間材料并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(fā)射器405發(fā)出的壓力脈沖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(gè)的使用溫度范圍上，其中的聲速盡可能不與溫度相關(guān)、或者僅很少地與溫度相關(guān)。在超聲波發(fā)射器405及接收器406的背面上，線膨脹ΔL(T)被通過一個(gè)彈簧元件415補(bǔ)償，從而不會有機(jī)械應(yīng)力作用于元件413及超聲波發(fā)射器405和接收器406上。
在圖6中所示的本發(fā)明的裝置的實(shí)施例中，設(shè)置有一個(gè)高壓容器501，它具有一個(gè)空心室502，其中存儲著一種介質(zhì)503。在高壓容器501的端面504上，安置著一個(gè)超聲波發(fā)射器505及接收器506。超聲波發(fā)射器505產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖507a，它沿著箭頭方向508a在介質(zhì)503中傳播。此外，壓力脈沖507或者說一部分壓力脈沖507b又在邊界層514上被反射。這里所產(chǎn)生的壓力脈沖507b的回送信號，又可以用于計(jì)算溫度。
圖7中示出了本發(fā)明裝置的另一種實(shí)施方式。這里所示出的裝置包括一個(gè)壓力容器601，它形成了一個(gè)空心室602，在該空心室602內(nèi)存放著一種介質(zhì)603。
在高壓容器601的端面604上，示出了一個(gè)超聲波發(fā)射器605和一個(gè)相應(yīng)的超聲波接收器606，由它產(chǎn)生一個(gè)沿著箭頭方向608的壓力脈沖607。在超聲波發(fā)射器605和接收器606與空心室603之間安置著一個(gè)熱電偶620，它檢測介質(zhì)603的溫度。需要注意熱電偶與介質(zhì)之間具有很短的距離619，以便直接測量溫度。
權(quán)利要求
1.同步地確定一個(gè)共軌系統(tǒng)中、或者一個(gè)汽油直接噴射系統(tǒng)中的壓力和溫度的方法，其中，在一個(gè)高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)之外，由一個(gè)超聲波發(fā)射器(5，105，205，305，405，605)產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖(7，107，207，307，407，507，607)，對該超聲波脈沖(7，107，207，307，407，507，607)穿過一個(gè)確定的路程L所需要的時(shí)間進(jìn)行測量，計(jì)算出脈沖速度并由此確定介質(zhì)(3，103，203，303，403，503，603)中的壓力，其特征為超聲波脈沖(7，107，207，307，407，507，607，107a，107b，107c，307a，307b)同步地激勵(lì)一個(gè)另外的元件，并且也測量時(shí)間，并且與檢測壓力同步地求出溫度。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征為超聲波接收器(105)或發(fā)射器(106)相對于高壓容器(101)的中心線(111)錯(cuò)開地安置。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征為超聲波接收器(105)或發(fā)射器(106)面狀地設(shè)置于端面(204)上。
4.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征為所述元件為一個(gè)中間材料(413)，它具有在相應(yīng)的溫度時(shí)進(jìn)行線膨脹(ΔL)的特性。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征為在高壓容器(601)和超聲波發(fā)射器(605)或超聲波接收器(606)之間設(shè)置一個(gè)溫度傳感器(620)。
6.用于同步地確定一個(gè)共軌內(nèi)部、或者一個(gè)汽油直接噴射系統(tǒng)的高壓容器中的壓力和溫度的裝置，其中，在一個(gè)高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)的外部由一個(gè)超聲波發(fā)射器(5，105，205，305，405，605)產(chǎn)生一個(gè)壓力脈沖(7，107，207，307，407，507，607)，對該超聲波脈沖(7，107，207，307，407，507，607)穿過一個(gè)確定的路程L所需要的時(shí)間進(jìn)行測量，計(jì)算出脈沖速度并由此確定介質(zhì)(3，103，203，303，403，503，603)中的壓力，其特征為超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)額外具有接收一個(gè)另外的、由另外的材料造成的壓力脈沖的特性。
7.如權(quán)利要求
6所述的裝置，其特征為超聲波發(fā)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(gè)傳導(dǎo)超聲波的介質(zhì)耦合。
8.如上述權(quán)利要求
之一所述的裝置，其特征為在高壓容器(101，201，301，401，501，601)內(nèi)部安置著一個(gè)確定的反射面。
專利摘要
本發(fā)明涉及在一個(gè)高壓容器內(nèi)、尤其是一個(gè)共軌中溫度和壓力的檢測。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種方法，利用該方法，一個(gè)超聲波發(fā)射器(5，105，205，305，405，605)以及一個(gè)超聲波接收器(6，106，206，306，406，506，606)可以根據(jù)一個(gè)壓力脈沖的傳播時(shí)間，檢測出處于高壓容器(1，101，201，301，401，501，601)內(nèi)部的一種介質(zhì)中的壓力。為此，本發(fā)明建議超聲波接收器確定在一個(gè)附加的元件內(nèi)傳播的壓力脈沖及其相應(yīng)的傳播，以便由此計(jì)算出溫度。這里，該附加的元件設(shè)置于超聲波發(fā)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(zhì)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(fā)明者斯特凡·米爾德斯, 奧利弗·施托爾 申請人:羅伯特·博世有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan