Messeinrichtunq

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen eines Drucks mit einem Messkörper. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines solchen Drucks.

Stand der Technik

Eine derartige Messeinrichtung in Form einer Hochdruckmesseinrichtung für ein Fluid ist aus der DE 100 18 618 B4 bekannt. Diese Hochdruckmesseinrichtung weist als Messkörper ein rohrförmiges Bauteil auf, das ein Hochdruckfluid enthält und dessen Druck gemessen werden soll. Dazu ist das Ende des rohrförmigen Bauteils mit einer Druckkammer ausgestattet, an die ein piezoelektrisches Element anschließt. Dieses piezoelektrische Element wird von einem Halter, der mit dem rohrförmigen Bauteil verschraubt ist, dichtend mit dem Bauteil verspannt. Das piezoelektrische Element ist mit einer elektronischen

Auswerteschaltung verbunden, die in Abhängigkeit von einer Änderung der Wölbung und einer hierdurch bedingten Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elements ein Drucksignal erzeugt. Dazu ist das

piezoelektrische Element dem Fluiddruck in dem rohrförmigen Bauteil unmittelbar ausgesetzt und zwischen dem Stirnende des rohrförmigen Bauteils und einer mutterartigen Klammer unter Kompression einer Dichtung eingespannt. Die Dichtung dichtet das Innere des rohrförmigen Bauteils gegenüber der Umgebung ab. Diese Hochdruckmesseinrichtung ist zur Messung von einem Druck von bis zu 3.000 bar ausgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zum Messen eines Drucks beziehungsweise ein Verfahren zum Messen eines Drucks anzugeben, die beziehungsweise das bei einem einfachen und kostengünstig darstellbaren Aufbau ein zuverlässiges Betriebsverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Messkörper an einer ersten Endfläche ortsfest und an einer von der ersten Endfläche getrennten und beabstandeten zweiten Endfläche durch eine Druckbeaufschlagung dehnbar ausgebildet ist und Mittel zur Längenmessung vorgesehen sind, die eine durch die Druckbeaufschlagung bedingte Abstandsänderung zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche des Messkörpers erfassen. Entsprechend wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer derartig ausgestalteten Messeinrichtung eine Längenänderung des Messkörpers zur Ermittlung eines in dem Messkörper herrschenden Druckes gemessen. Grundsätzlich lässt sich mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung der Druck eines Gases oder eines Fluids, insbesondere aber der eines Fluids, in einem Messkörper in

Zusammenhang mit einer Versuchsanordnung, einer Bearbeitungsanlage oder aber auch im normalen Einsatzbetrieb messen. Besonders vorteilhaft ist die Messeinrichtung aber als Hochdruckmesseinrichtung ausgebildet im

Zusammenhang mit einer Bearbeitungsanlage einsetzbar. Hierbei ist die

Bearbeitungsanlage mit einem beliebigen Rohr verbunden, wobei das beliebige Rohr wie nachfolgend noch ausgeführt wird, bearbeitet wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Messkörper ein rohrförmiges Bauteil. Eine solche Ausbildung ist insbesondere mit einem zu bearbeitendem Rohr, das mit dem Messkörper verbunden ist, vorteilhaft. In weiterer Ausgestaltung weist das rohrförmige Bauteil zu der zweiten Endfläche hin einen den Innenraum des rohrförmigen Bauteils verschließenden Deckel auf und auf der

gegenüberliegenden ersten Endfläche zu dem Deckel weist das Bauteil eine Referenzpositionsmarke auf. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung das Bauteil im Bereich des Deckels mit einem Messfühler eines Längenmesssystems verbunden.

In Weiterbildung der Erfindung ist das rohrförmige Bauteil im Bereich der Referenzpositionsmarke in einen ortsfest angeordneten Halter eingesetzt und ein ebenfalls ortsfest angeordnete Messkopf mit dem Messfühler der

Längenmesssystems weist zu der Referenzpositionsmarke einen definierten Abstand auf. Wird nun das Innere des Bauteils durch ein Fluid druckbeaufschlagt, erfährt das rohrförmige Bauteil eine Längenänderung, die durch den Messfühler des Längenmesssystems ermittelt werden kann. Diese Längenänderung des Bauteils gibt dann durch entsprechende

Referenzmessungen gewonnene Zuordnungen Aufschluss über den in dem Bauteil herrschenden Fluiddruck.

Die erfindungsgemäße Hochdruckmesseinrichtung hat gegenüber einer

Messeinrichtung mit einem eine Membran aufweisenden Drucksensor den Vorteil, dass diese bei einer ähnlichen Genauigkeit bei der Druckmessung eine wesentlich höhere Haltbarkeit aufweist. Insbesondere bei hohen zu messenden Drücken in dem Bauteil ist der Drucksensor sehr teuer. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, einen Druck von über 10.000 bar zu messen. Bei einem solch hohen zu messenden Druck ist der Drucksensor nach spätestens 12.000 Messungen auszutauschen, da die in dem Drucksensor befindliche Membran dann soweit verformt bzw. geschwächt ist, dass keine zuverlässige Messung mehr möglich ist. Aufgrund des sehr hohen Preises im Bereich von mehreren tausend Euro ergibt sich somit ein Preis für eine einzelne Messung im Bereich bis zu einem Euro allein in Hinblick auf den Drucksensor. Dagegen braucht das erfindungsgemäße rohrförmige Bauteil nur in den Intervallen ausgetauscht werden, wie auch die Leitungen und sonstigen

druckbeaufschlagten Komponenten der gesamten Bearbeitungsanlage. Dieser Austausch ist auch bei einer herkömmlichen Bearbeitungsanlage notwendig. Dabei bezieht sich die Notwendigkeit des Austausche nur auf das rohrförmige Bauteil, während insbesondere das vollständige Längenmesssystem, das als elektronische Messeinrichtung ausgebildet nur kleine Längenänderungen erfassen muss, quasi beliebig lange einsetzbar ist. Durch diese Ausgestaltung ist ein deutlicher Kostenvorteil gegenüber einer herkömmlichen Anlage gegeben.

In Weiterbildung der Erfindung weist das rohrförmige Bauteil eine Länge von 400 mm bis 1.200 mm, bevorzugt von ca. 800 mm auf. Dabei weist das rohrförmige Bauteil wiederum in weiterer Ausgestaltung beispielsweise einen

Innendurchmesser von 1 bis 3 mm, bevorzugt von 1,58 mm und beispielsweise einen Außendurchmesser von 5 bis 15 mm, bevorzugt von 7,94 mm auf. Die bevorzugten Werte entsprechen insbesondere denen der Leitungen und gegebenenfalls des zu bearbeitenden Rohres. Somit kann das rohrförmige Bauteil aus dem gleichen Material wie die Leitungen und gegebenenfalls wie das zu bearbeitende Rohr kostengünstig bereitgestellt werden. Die angegebenen Maßangaben können aber im Rahmen der Erfindung durch andere kleinere oder größere Werte ersetzt werden. Auch kann das rohrförmige Bauteil aus einem anderen Material als die Leitungen und das zu bearbeitende Rohr hergestellt sein. Mit dem so ausgeführten rohrförmigen Bauteil lässt sich als kleinste messbare Einheit eine Druckänderung von 15 bar ermitteln beziehungsweise auflösen. Bei einer Rohiiänge von 800 mm beträgt die maximale

Längenänderung über einen Messbereich von 0 bar bis 10.000 bar

beispielsweise 70 pm, wobei die Längenänderung von 70 pm bei einem Druck von 10.000 bar gemessen wird, während die Längenänderung bei 0 bar entsprechend 0 pm beträgt. Hierbei ist die Befestigung des Längenmesssystems gegenüber der in dem Halter eingespannten Referenzpositionsmarke besonders wichtig. Wird eine Haltevorrichtung für die Befestigung des Längenmesssystems einstückig mit dem Halter für die Referenzpositionsmarke des rohrförmigen Bauteils ausgebildet und somit ein besonders massives und steifes Haltesystem geschaffen, ist auch eine größere Längenänderung darstellbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die gemessene Längenänderung proportional zu der Länge des Bauteils. Ausgehend von einer Länge von 800 mm und einer Längenänderung von 70 pm ist bei einer Bauteillänge von 400 mm mit einer Längenänderung von 35 pm zu rechnen, während ausgehend bei einer Länge von 1.600 mm mit einer Längenänderung von 140 pm zu rechnen ist. Diese Proportionalität ist bei allen rohrförmigen Bauteilen gegeben, wobei die entsprechenden Werte einer Längenänderung aber insbesondere vom Material und der Wandstärke des entsprechenden Bauteils abhängig sind.

Basis des Messsystems ist, dass der in dem rohrförmigen Bauteil herrschende Druck P _A mit

PA = F/A _D eine Kraft F auf den Deckel beziehungsweise dessen Deckelfläche A _D des zu dieser Endfläche hin verschlossenen rohrförmigen Bauteils ausübt. Wird diese Kraft auf die Rohrquerschnittsfläche bezogen, bekommt man mit σ = F/A _R die im Rohr wirkende Normalspannung σ. Diese wiederum steht im elastischen Bereich des eingesetzten Rohrmaterials mit der daraus resultierenden

Längenänderung AUL mit σ ~ AUL in Zusammenhang. So kann man mit Hilfe des Elastizitätsmoduls E des verwendeten Rohrmaterials über σ = Ε χ Δ _ einen direkten korrelativen Zusammenhang zwischen dem Druck und der Längenänderung des rohrförmigen Bauteils herstellen. Mit einem externen standardmäßigen Längenmesssystem mit genügend hoher Auflösung lässt sich nun diese Längenänderung erfassen und zur Druckmessung verwenden. Dabei ist es so, dass die Längenänderungen des rohrförmigen Bauteils im elastischen Bereich des Materials stattfinden, so dass diese nach dem Hookschen Gesetz linear und für eine Messgerätefähigkeit wiederholbar sind. Insgesamt stellt der so ausgebildete„Steigrohr-Drucksensor" (das rohrförmige Bauteil ist in Art eines Steigrohrs angeordnet) eine kostengünstige, einfache und robuste Alternative zu einem membranbasierten Drucksensor dar.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Bauteil Bestandteil einer Autofrettage- Anlage und aus dem gleichen Material gefertigt, wie die Leitungen des

Autofrettage Systems. Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von insbesondere beliebigen Rohren für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr bereits nach seiner Herstellung einem über den späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Rohrbereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Rohrbereich

Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Rohre können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck und/oder über eine längere Zeit betrieben werden, als dies ohne Autofrettage- Behandlung möglich wäre. Ein Beispiel für ein solches zu bearbeitende Rohr ist der Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Systems für eine

Brennkraftmaschine. In einem solchen Hochdruckspeicher eines Common-Rail- Systems wird Kraftstoff mit einem Druck ab 1600 bar gespeichert und von mit dem Hochdruckspeicher über Hochdruckleitungen verbundenen

Kraftstoffinjektoren zur Einspritzung in zugeordnete Brennräume einer

Brennkraftmaschine entnommen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der

Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Autofrettage-Anlage mit einer erfindungsgemäß ausgestalten Messeinrichtung und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Längenänderung eines

rohrförmigen Bauteils in Folge einer in dem Bauteil herrschenden Normalspannung.

Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Autofrettage-Anlage, mit der eine Festigkeitssteigerung eines beliebigen Rohrs, im Ausführungsbeispiel beispielsweise eines Hochdruckspeichers 1 für ein Common-Rail- Einspritzsystem, erzielt werden kann. Ein Common-Rail-Einspritzsystem ist insbesondere für eine selbstzündende mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine ausgelegt und weist als wichtigste Komponenten einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffniederdruckpumpe, eine Kraftstofffiltereinrichtung, eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Zumesseinheit und den

Hochdruckspeicher 1 auf, die über entsprechende Leitungen verschaltet sind. An den Hochdruckspeicher sind über Hochdruckleitungen Kraftstoffinjektoren angeschlossen, die gesteuert Dieselkraftstoff in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen. Von der Kraftstoffhochdruckpumpe wird der Dieselkraftstoff mit einem Druck von mehr als 1600 bar in den

Hochdruckspeicher gefördert. Entsprechend müssen die Leitungen und insbesondere der Hochdruckspeicher druckbeständig ausgelegt sein.

Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von beliebigen, insbesondere aus metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Gussstahl, Edelstahl, hergestellten Rohren für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken. Dabei wird das Rohr, im Ausführungsbeispiel der Hochdruckspeicher 1 , bereits nach seiner Herstellung einem über den späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass die Bereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur

Dauerfestigkeit steigern. Die Rohre können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck und/oder über eine längere Zeit betrieben werden, als dies ohne eine Autofrettage-Behandlung möglich wäre.

Die Autofrettage-Anlage weist einen Tank 2 auf, in dem ein Fluid, insbesondere ein Hydraulikfluid, bevorratet wird. Über eine Saugleitung 3 mit eingesetztem Filter 4 wird aus dem Tank 2 Hydraulikfluid von einer Hochdruckpumpe 5 gegebenenfalls unter dem vorgeschalteten Einsatz einer Niederdruckpumpe entnommen und durch eine Hochdruckleitung 6 in den Hochdruckspeicher 1 gefördert.

In die Hochdruckleitung 6 ist über einen Abzweig 13 ein Messkörper in Form eines rohrförmiges Bauteils 7, das wiederum als Steigrohr ausgebildet ist, hydraulisch eingeschaltet und mit einer ersten Endfläche an einer

Referenzpositionsmarke 8 fest an einer ortsfesten Bezugsfläche beispielsweise in Form eines Halters befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite zu der Referenzpositionsmarke 8 ist eine zweite Endfläche des rohrförmigen Bauteils 7 mit einem Deckel 9 versehen. Der Deckel 9 kann beispielsweise mit dem rohrförmigen Bauteil 7 verschweißt sein, wobei der Deckel 9 bevorzugt aus dem gleichen metallischen Material wie das rohrförmige Bauteil 7 gefertigt ist. An den Deckel 9 greift ein elektronisches Längenmesssystem 10 mit einem Messfühler 11 an. Der Messfühler 11 ist Bestandteil eines Messkopfs 12, wobei der

Messkopf 12 wiederum ortsfest montiert ist. Vorzugsweise ist die Bezugsfläche, die das rohrförmige Bauteil 7 an der Referenzpositionsmarke 8 aufnimmt, so ausgebildet, dass diese Bezugsfläche auch die ortsfeste Befestigung für den Messkopf 12 darstellt. Mit dem elektronischen Längenmesssystem 10 können auch kleine Längenänderungen zuverlässig erfasst und angezeigt

beziehungsweise weiterverarbeitet oder weitergeleitet werden. Beispielsweise kann das Längenmesssystem direkt mit einer Einrichtung verbunden sein, die ein eine Längenänderung im Bezug zu einer Nullstellung darstellendes Signal in einen Druckwert umwandelt. Dabei sind alle Komponenten des

Längenmesssystems 10 (nahezu) verschließfrei ausgebildet und können somit über einen langen Zeitraum ohne Austausch eingesetzt werden.

Wird nun während der Autofrettage von der Hochdruckpumpe 5 über die

Hochdruckleitung 6 in den Hochdruckspeicher 1 Hydraulikfluid mit einem Druck im Bereich von bis zu 10.000 bar gefördert, wird das Hydraulikfluid über den Abzweig 13 von der Hochdruckleitung 6 auch in das rohrförmige Bauteil 7 eingebracht, das aufgrund der Druckerhöhung eine Längenänderung erfährt. Aufgrund der ortsfesten Befestigung der Referenzpositionsmarke 8 der ersten Endfläche des rohrförmigen Bauteils 7 kann das rohrförmige Bauteil nur mit der gegenüberliegenden zweiten Endfläche mit dem Deckel 9 eine axiale

Längenänderung in der Längsrichtung des Bauteils 7 (in Bezug zu der

Referenzpositionsmarke 8) ausführen, die von dem hier angreifenden Messfühler 11 als Abstandsänderung erfasst und an das Längenmesssystem 10 übermittelt wird. Diese Längenänderung ist durch eine Skala 14 symbolisiert.

In dem Ausführungsbeispiel weist das rohrförmige Bauteil 7 beispielsweise eine Länge von 400 mm bis 1.200 mm, bevorzugt 800 mm und einen

Innendurchmesser von 1 mm bis 3 mm, bevorzugt von 1 ,58 mm und einen Außendurchmesser von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt von 7,94 mm, auf. Mit den bevorzugten Werten wird in einem Druck-Messbereich von 0 bar bis 10.000 bar eine Längenänderung AL von 70 μιτι von dem Längenmesssystem 10 gemessen. Dabei wird bei einem Druck von 0 bar keine Längenänderung und bei einem Druck von 10.000 bar die maximale Längenänderung von 70 [im gemessen, während bei dazwischen liegenden Drücken entsprechende Zwischenwerte der Längenänderung gemessen werden.

Zwischen der Bauteillänge und der messbaren Längenänderung besteht eine Proportionalität. Ausgehend von einer Länge von 800 mm und einer

Längenänderung von 70 [im ist bei einer Bauteillänge von 400 mm mit einer Längenänderung von 35 [im zu rechnen, während ausgehend von einer Länge von 1.600 mm eine Längenänderung von 140 [im erreicht wird. Diese

Proportionalität ist bei allen rohrförmigen Bauteilen gegeben, wobei die entsprechenden Werte einer Längenänderung aber insbesondere vom Material und der Wandstärke des entsprechenden Bauteils abhängig sind. Es sind folglich im Rahmen der Erfindung auch weitere konstruktive Ausgestaltungen des rohrförmigen Bauteils 7 mit anderen Maßen, Messbereichen und messbaren Längenänderungen AL umsetzbar.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Längenänderung eines rohrförmigen Bauteils 7 in Folge einer in dem Bauteil herrschenden

Normalspannung.

Basis des Messsystems ist, dass der in dem rohrförmigen Bauteil 7 herrschende Autofrettagedruck P _A mit

PA = F/A _D eine Kraft F auf den Deckel 9 beziehungsweise dessen die zweite Endfläche darstellende Deckelfläche A _D des zu dieser Seite hin verschlossenen

rohrförmigen Bauteils 7 ausübt. Wird diese Kraft auf die Rohrquerschnittsfläche bezogen, erhält man mit σ = F/A _R die im Rohr wirkende Normalspannung σ. Diese wiederum steht im elastischen Bereich des eingesetzten Rohrmaterials mit der daraus resultierenden

Längenänderung AUL mit σ ~ Δ _ in Zusammenhang. So kann man mit Hilfe des Elastizitätsmoduls E des verwendeten Rohrmaterials über σ = Ε χ ΔΙ_/ί einen direkten korrelativen Zusammenhang zwischen dem Autofrettagedruck und der Längenänderung des rohrförmigen Bauteils 7 herstellen. Mit einem externen standardmäßigen Längenmesssystem 10 mit genügend hoher Auflösung lässt sich nun diese Längenänderung erfassen und zur Druckmessung verwenden. Dabei ist es so, dass die Längenänderungen des rohrförmigen Bauteils 7 im elastischen Bereich des Materials stattfinden, so dass diese nach dem

Hookschen Gesetz linear und für eine Messgerätefähigkeit wiederholbar sind. Insgesamt stellt der so ausgebildete„Steigrohr-Drucksensor" eine

kostengünstige, einfache und robuste Alternative zu einem membranbasierten Drucksensor dar.