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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren beziehungsweise von einer
Vorrichtung zur Temperaturbestimmung von Kraftstoff in einem Speicher-Einspritzsystem,
insbesondere in einem Common Rail Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs,
wobei der Kraftstoff über
einen Hochdruckbehälter
(Common Rail) zu angeschlossenen Einspritzventilen (Injektoren)
des Einspritzsystems fließt,
die von entsprechenden Aktoren steuerbar sind, und wobei der Druck
des Kraftstoffs im Hochdruckbehälter
von einem Drucksensor erfasst wird, nach den Oberbegriffen der nebengeordneten
Ansprüche
1 und 7.
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Es
ist schon bekannt, dass bei einem Speicher-Einspritzsystem, das üblicherweise
bei Kraftfahrzeugmotoren auch als Common Rail Einspritzsystem bezeichnet
wird, ein Einspritzzyklus mittels der Einspritzdauer, d.h. durch
die Öffnungszeit
der Düsennadel
des Injektors gesteuert wird, wobei auch der im Injektor oder dem
Rail vorherrschende Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs berücksichtigt
wird.
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Insbesondere
im Hinblick auf strenge Emissionsforderungen und um einen optimalen
Wirkungsgrad zu erreichen, sind dabei auch wesentliche Eigenschaften
des Kraftstoffs, beispielsweise seine Dichte, Viskosität, Schwingverhalten
usw. zu berücksichtigen.
Da diese Eigenschaften nicht nur vom vorherrschenden Druck im System,
sondern auch von der Temperatur des. Kraftstoffs abhängen, wird
angestrebt, auch die Temperatur zu erfassen.
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Der
Druck wird üblicherweise
mit einem Drucksensor gemessen, der an geeigneter Stelle am Hochdruckbehälter (Rail)
angeordnet ist. Die Erfassung der Temperatur ist jedoch schwieriger
durchzuführen.
Einen Temperatursensor im Hochdruckbereich anzuordnen, ist technisch
schwierig zu realisieren. Zudem ist ein solcher Temperatursensor,
der auch eine entsprechende Steuereinrichtung benötigt, relativ
teuer und daher unerwünscht.
In der Praxis hat man daher auf eine Installation des Temperatursensors
entweder verzichtet oder man hat versucht, die Kraftstofftemperatur
im Hochdruckbereich durch andere Systemkomponenten grob abzuschätzen. Diese Lösungen werden
ebenfalls als nicht befriedigend angesehen, da das Timing für den Verlauf
und die Form jeder Einspritzung auf diesem Wege nicht optimal angepasst
werden kann.
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Aus
der
DE 197 20 378
C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Öffnungszeit
eines Einspritzventils einer Hochdruckspeicher-Einspritzanlage bekannt.
Bei diesem Verfahren wird aus einem Kennfeld eine Einspritzdauer
abgeleitet, die auf einem korrigierten statischen Druck im Hochdruckspeicher
basiert. Der Korrekturwert berücksichtigt
u.a. das Schwingungsverhalten des Kraftstoffs in Abhängigkeit
seiner Kompressibilität,
die entnommene Kraftstoffmenge oder die Ansteuerdauer aus einem
vorhergehenden Einspritzvorgang. Des weiteren ist vorgesehen, Unterschiede
im Druckverlauf, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur
des Kraftstoffs zu berücksichtigen.
Auch wird vorgeschlagen, die Kompressibilität des Kraftstoffs zu beachten,
die auf das Schwingungsverhalten ebenfalls einen Einfluss ausübt. Die
Kompressibilität
kann dabei u.a. durch die Schallgeschwindigkeit erfasst werden:
Der Patentschrift ist jedoch nicht entnehmbar, nach welchem Verfahren
insbesondere die Temperatur des Kraftstoffs bestimmt wird.
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Aus
der
DE 196 33 156
A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Kraftstoffzumessung wird in
Abhängigkeit
von einem Drucksignal gesteuert, das den Verlauf des Kraftstoffdrucks über der
Zeit und/oder über
der Winkelstellung einer Welle beschreibt. Ausgehend von dem Druckverlauf
werden Größen bestimmt,
die die Kraftstoffeigenschaften charakterisieren. Diese sind insbesondere
die Temperatur des Kraftstoffs, die Viskosität, die Dichte, die Schallgeschwindigkeit
und das Elastizitätsmodul
des Kraftstoffs.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Speicher-Einspritzsystem die
Temperatur des Kraftstoffs ohne einen Temperatursensor auch bei
hochfrequenten Schwingungen des Kraftstoffes zu ermitteln. Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beziehungsweise die Vorrichtung zur Temperaturbestimmung des Kraftstoffs
in einem Speicher-Einspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen
der Ansprüche
1 und 7 haben den Vorteil, dass mit dem vorhandenen Drucksensor
nicht nur der Druck im Hochdruckbehälter gemessen werden kann,
sondern auch die Druckwelle des Kraftstoffs erfasst wird, die beim Einspritzvorgang
an einem Injektor ausgelöst
wird. Als besonderer Vorteil wird angesehen, dass zur Ermittlung
der Schallgeschwindigkeit die Frequenz der Welligkeit der Druckwelle
des Kraftstoffs herangezogen wird. Die Welligkeit ergibt sich durch
Reflexionen einer stehenden Welle, aus der sich die Schallgeschwindigkeit
ermitteln lässt.
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Da
die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs eine Funktion des vorherrschenden
Drucks und der Temperatur ist, lässt
sich bei bekanntem Druck im Hochdruckbehälter und bekannter Schallgeschwindigkeit
auf einfache Weise die Temperatur des Kraftstoffs ermitteln, ohne
dass ein separater Temperatursensor benötigt wird. Ein separater Temperatursensor
wird nicht benötigt,
da der ohnehin vorhandene Drucksensor alle notwendigen Informationen
zur Temperaturbestimmung liefert.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den
Ansprüchen und
7 angeführten
Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung angegeben. Als besonders
vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die Schallgeschwindigkeit aus
der Welligkeit der Druckwelle berechnet werden kann. Die Messung
der Laufzeit der Druckwelle kann mit einfechen Mitteln durchgeführt werden,
so dass diese Lösung
günstiger
ist als ein separater Temperatursensor.
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Die
Temperatur des Kraftstoffs kann auf einfache Art beispielsweise
mit einem Diagramm ermittelt werden, bei dem Temperaturkurven in
Abhängigkeit
vom Druck und der Schallgeschwindigkeit aufgetragen sind.
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Eine
günstige
alternative Lösung
für die
Temperaturermittlung wird auch in einer Tabelle gesehen, in der
Temperaturwerte in Abhängigkeit
vom Druck eingetragen sind.
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Die
Temperatur des Kraftstoffs kann alternativ auch mit einem Algorithmus
bestimmt werden, der die Abhängigkeit
der drei Parameter Druck, Temperatur und Schallgeschwindigkeit als
Funktion enthält. Solche
Funktionen lassen sich leicht programmieren und dann von einer Rechnereinheit
lösen.
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Da
die Eigenschaften des Kraftstoffs physikalisch miteinander verknüpft sind,
lassen sich bei bekannter Druck- und Temperaturabhängigkeit
der Schallgeschwindigkeit auch weitere Parameter des Kraftstoffs
bestimmen. Insbesondere kann die Dichte und/oder die Viskosität des Kraftstoffs
beispielsweise durch Vergleich bestimmt werden, ohne dass zusätzliche
Sensoren erforderlich sind.
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Mit
Hilfe der ermittelten Temperatur des Kraftstoffs kann eine vorgegebene
Kraftstoffmenge in vorteilhafter Weise genau dosiert eingespritzt
werden, da mit den bekannten und ermittelten Werten die Öffnungsdauer
der Düsennadel
des Injektors korrigiert beziehungsweise zuverlässig und exakt gesteuert werden
kann.
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Bei
der Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffs ist
in vorteilhafter Weise eine Rechnereinheit vorgesehen, die von einem
entsprechenden Softwareprogramm steuerbar ist. Ein Softwareprogramm
ist leichter adaptierbar an vorgegebene Bedingungen als beispielsweise
eine speziell abgestimmte Hardware-Lösung. Dadurch kann das Einspritzsystem nicht
nur mit hoher Präzision
arbeiten, sondern ist auch flexibel und universal verwendbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Speicher-Einspritzsystem mit vier Injektoren,
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2 zeigt
ein Diagramm, an dem das Prinzip der Entstehung einer Druckwelle
erkennbar ist,
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3 zeigt
ein Diagramm mit einer Stromkurve zur Ansteuerung eines piezoelektrischen
Aktors,
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4 zeigt
ein der 3 zugeordnetes Diagramm mit
zwei Temperaturkurven,
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5 zeigt
ein weiteres Diagramm, bei dem Temperaturkurven in Abhängigkeit
von der Schallgeschwindigkeit und dem Druck aufgetragen sind,
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6 zeigt
eine Schaltungsanordnung für die
Temperaturermittlung und
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7 zeigt
ein Flussdiagramm für
ein Softwareprogramm.
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Bezüglich der 1 ist
in schematischer Darstellung ein Speicher-Einspritzsystem (Common Rail
Einspritzsystem) 1 erkennbar, wie es beispielsweise bei
einem Vierzylinder-Dieselmotor
verwendet werden kann. Im wesentlichen weist es einen Hochdruckbehälter 2,
das sogenannte Common Rail auf, in dem sich Kraftstoff (in diesem
Fall Dieselöl)
unter sehr hohem Druck befindet. Der hohe Druck wird von einer Kraftstoffpumpe
und einem Regelkreis erzeugt, die jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen in 1 weggelassen
wurden. Wesentlich ist, dass der Druck im Rail 2 von einem
Drucksensor 4 erfasst wird. Der Drucksensor 4 liefert
ein Signal an eine Steuerschaltung, die den Druck im Rail 2 entsprechend
den vorgegebenen Bedingungen nachregelt.
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Ausgangsseitig
sind vier Einspritzventile oder Injektoren 5 angeschlossen,
die an ihrem Ende jeweils eine Düsennadel
aufweisen, über
die bei Ansteuerung des Injektors 5 der Kraftstoff austreten kann
und dabei in den Verbrennungsraum des Motors eingespritzt wird.
Die Injektoren 5 werden von Aktoren 3 betätigt, die
beispielsweise nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten und beim
Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulse sich in der Längsachse
des Injektors 5 reversibel ausdehnen.
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Durch
den Blitzpfeil am linken Injektor 5 von 1 soll
angezeigt werden, dass bei diesem Injektor 5 der Aktor 3 angesteuert
wird. Dabei entsteht im Innern des Injektors 5 ein Druckabfall
des Kraftstoffs, der eine (oder mehrere,) Druckwelle(n) auslöst, die
in Richtung des Drucksensors 4 läuft. Die Druckwelle durchläuft die
Wegstrecke s vom Injektor 5 bis zum Drucksensor 4,
deren Länge
bekannt ist und trifft mit einer gewissen Verzögerung (Laufzeit) beim Drucksensor 4 ein.
Die Laufzeit der Druckwelle ist neben anderen Parametern im wesentlichen
abhängig
vom Druck im Einspritzsystem 1 und der Temperatur des Kraftstoffs.
Die Druckwelle wird vom Drucksensor 4 erfasst, der seinen
Messwert an eine entsprechende Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung
weiterleitet (siehe Pfeil). Des weiteren erfasst eine Messeinrichtung
die Laufzeit der Druckwelle, wie später noch näher erläutert wird. Dieser Vorgang
wird zunächst
in dem Diagramm zu 2 näher erläutert.
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Im
Diagramm von 2 ist in der unteren Kurve der
prinzipielle Verlauf des Druckes P einer Druckwelle über der
Laufzeit t wiedergegeben. Die obere Kurve zeigt im Vergleich hierzu
eine Kurve mit einem Ansteuerstromimpuls, wie er typi scherweise zur
Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 3 verwendet wird.
Im nicht angesteuerten Zustand liegt im Rail 2 der statische
Druckwert P1 an. Zum Zeitpunkt t0 wird der Ansteuerimpuls für den Aktor 3 eingeschaltet,
was durch die positive Halbwelle des Stromimpulses erkennbar ist.
Zum Zeitpunkt t1 ist der Ansteuerimpuls bereits abgeschaltet worden.
In der Zwischenzeit wurde die Düsennadel
des Injektors 5 geöffnet
und der Kraftstoff eingespritzt, so dass sich die in der unteren
Kurve dargestellte Druckwelle ausgebildet hat. Nach einer Laufzeit
der Druckwelle dt = t2 – t0
wird die Druckwelle vom Drucksensor 4 durch den beginnenden
Druckabfall erkannt. Aus der Laufzeit dt und der bekannten zurückgelegten
Wegstrecke s vom Injektor 5 bis zum Drucksensor 4 gemäß 1 lässt sich
daraus die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck P und der
Temperatur T des Kraftstoffs bestimmen.
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Wie
der Druckkurve weiter entnehmbar ist, bildet sich im rechten Teil
eine stehende Welle aus, an der die Frequenz gemessen werden kann.
Diese stehende Welle kann alternativ zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
verwendet werden kann.
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In
den 3 und 4 wird die Temperaturabhängigkeit
der Druckwelle an Hand der beiden Temperaturen 40°C und 60°C genauer
erläutert. 3 zeigt
noch einmal die Ansteuerstromkurve für den Aktor 3, wie
sie bereits zu 2 erläutert wurde. Hier wurde wiederum
nur ein Einspritzimpuls dargestellt. In der Praxis besteht in der
Regel ein Ansteuerzyklus aus einer Sequenz von Einspritzimpulsen,
die in kurzem Zeitabstand geschaltet werden.
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4 zeigt
die beiden Druckwellen für
die beiden Temperaturen Trail1 = 40°C (durchgezogenen Kurve)
beziehungsweise Trail2 = 60°C (gepunktete Kurve),
wie sie von dem Drucksensor 4 gemessen werden. Wie in 4 erkennbar
ist, weist die Kurve Trail2 eine längere Laufzeit
t2 auf als die Kurve Trail1. Eine einfache
Auswertung für
die Temperaturbestimmung kann beispielsweise so erfolgen, dass ausgehend
von einem Druck wert P1 die Laufzeit der Druckwelle bei einem niedrigeren
Druckwert P2 von der Messeinrichtung erfasst wird. Die Differenz
der beiden Laufzeiten t2-t1 ist dann ein Maß für die Temperatur des Kraftstoffs,
bezogen auf einen Referenzwert. Wie zuvor schon erläutert wurde,
lässt sich
aus der Laufzeit t der Druckwelle und der bekannten zurückgelegten
Wegstrecke s die Schallgeschwindigkeit V des Kraftstoffs nach der
Formel V = s/t berechnen.
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Eine
erfindungsgemäße Berechnung
für die Schallgeschwindigkeit
V ergibt sich auch aus der Welligkeit der stehenden Welle, wie den
beiden Kurven in 4 entnehmbar ist. Beide Kurven
Trail1 beziehungsweise Trail2 weisen
bei genauer Betrachtung eine etwas unterschiedliche Periodendauer
auf. Die Periodendauer ist rechnerisch umgekehrt proportional zur
Frequenz und somit ebenfalls ein Maß für die Schallgeschwindigkeit
V des Kraftstoffs.
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An
Hand von 5 wird nun erläutert, wie aus
der Schallgeschwindigkeit auf die Temperatur des Kraftstoffs geschlossen
werden kann.
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In
dem Diagramm von 5 ist auf der Y-Achse die Schallgeschwindigkeit
V und auf der X-Achse der Druck P aufgetragen. Die Kurven a...h sind
Temperaturkurven, wie sie beispielsweise durch empirische Messungen
in Abhängigkeit
von der Schallgeschwindigkeit V und dem Druck P gemessen werden
können.
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Diese
Kurven drücken
physikalische Zusammenhänge
von Parametern des Kraftstoffs aus, aus denen auch weitere temperaturabhängige Parameter wie
die Dichte und/oder die Viskosität
des Kraftstoffs bestimmt werden können. So können unterschiedliche Kraftstoffsorten,
bei denen bei vergleichbarem Druck und Temperatur unterschiedliche
Schallgeschwindigkeiten gemessen wurden, durch Vergleich unterschieden
werden.
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Die
Temperaturkurven a...h wurden mit jeweils 20°C Temperaturdifferenz im Temperaturbereich –20°C ...+120°C ermittelt.
Kurve a wurde bei –20°C, Kurve
b wurde bei 0°C,
Kurve c wurde bei +20°C
usw. und Kurve h wurde bei +120°C
ermittelt. Diese Temperaturkurven werden als Referenzkurven verwendet,
um die Temperatur des Kraftstoffs zu bestimmen.
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Wie
am Beispiel von 4 erläutert wurde, erhält man eine
Laufzeitdifferenz t2-t1, die in eine Differenz dV der Schallgeschwindigkeit
V umgerechnet wird. Es wird angenommen, dass die Kurve Trail1 = 60 °C (4) als Referenzkurve
gilt und daraus die Laufzeitdifferenz t2-tl zur Kurve Trail1 beziehungsweise
daraus die Differenz dV der Schallgeschwindigkeit V berechnet wurden.
Man sucht sich jetzt in 5 zu dem gegebenen Druckwert
P1 den Schnittpunkt S1 mit der Temperaturkurve e, die als Referenzkurve
bei 60°C
bekannt ist, um bei dem vorgegebenen Beispiel zu bleiben. Auf diesen
Schnittpunkt S1 wird der aus 4 ermittelte
Wert für
die Differenz dV der Schallgeschwindigkeit V vertikal aufgetragen.
Als Ergebnis erhält
man die Kurve d, die der 40°C-Kurve
entspricht. Die Temperatur des Kraftstoffs beträgt somit in unserem Beispiel
40°C. Zwischenwerte
können natürlich entsprechend
interpoliert werden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass es nicht sinnvoll ist, direkt aus 5 die
Temperatur des Kraftstoffs zu ermitteln, da hier Einflüsse weiterer
Parameter (Dichte, Viskosität
usw.) die Temperaturermittlung verfälschen könnten.
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In
alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Diagramme
in Form entsprechender Tabellen oder als Algorithmus auszubilden.
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6 zeigt
in schematischer Darstellung einen Stromlaufplan für eine Vorrichtung
mit einer rechnergesteuerten Messeinrichtung 11, mit der
die Laufzeitmessung dt und auch die Schallgeschwindigkeit V des
Kraftstoffs bestimmt werden kön nen.
Die Messeinrichtung 11 ist mit dem Drucksensor 4 verbunden,
von dem sie das Signal der Druckwelle erhält. Ausgangsseitig ist die
Messeinrichtung 11 mit einer Rechnereinheit 10 verbunden,
die mit einem Speicher 12 und allen erforderlichen Einheiten
ausgebildet ist. Die Rechnereinheit 10 wird von einem Softwareprogramm
gesteuert, das in dem Speicher 12 abgelegt ist. Vorteilhaft
ist, eine bereits vorhandene Rechnereinheit 10 und Speicher 12 für diese
Aufgabe mitzubenutzen, um den Aufwand zu reduzieren. Am Ausgang
T der Rechnereinheit 10 steht dann das Ergebnis der Temperatur
für den
Kraftstoff für
eine weitere Nutzung, insbesondere für die Steuerung der. Einspritzdauer
zur Verfügung.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm für
ein Softwareprogramm zur Steuerung der Rechnereinheit 10.
Nach dem Start des Programms in Position 20 wird zunächst der
statische Druckwert P1 im Speicher 12 gespeichert (Pos. 21).
In Position 22 erfolgt die Laufzeitmessung t beziehungsweise
die Ermittlung der Differenz dt. In Position 23 werden
die ermittelten Werte in die Schallgeschwindigkeit V beziehungsweise
Geschwindigkeitsdifferenz dV umgerechnet. Danach erfolgt in Position 24 die
Temperaturbestimmung T und dessen Ergebnisausgabe in Position 25.
Je nach Bedarf kann das Programm wieder auf Position 20 springen
und einen neuen Zyklus starten.