CN108138765A - 具有密封式电机的用于测量测量流的流通过程的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量测量流体的流通过程的设备，其具有入口(10)、出口(12)、通过驱动单元(18)可驱动的容积式计数器(16)、旁路管道(20)、压差检测器(22)和分析控制单元(32)，所述容积式计数器(16)布置在挤压器壳体(40)中，容积式计数器(16)通过旁路管道(20)可绕行，压差检测器(22)布置在旁路管道(20)中，通过分析控制单元(32)可驱动的容积式计数器(16)根据在压差检测器(22)附近的压差可调节。驱动单元(18)通过密封式电机(46)形成，其中，密封罐(54)将用测量流体填充的内部空间(60)与外部空间(62)分离，在所述内部空间(60)中设有密封式电机(46)的驱动轴(52)和转子(50)，在所述外部空间(62)中设有密封式电机(46)的承载绕组(58)的定子(56)。

Description

具有密封式电机的用于测量测量流的流通过程的设备
本发明涉及一种用于测量流体流的流通过程的设备，其具有入口、出口、通过驱动单元可驱动的容积式计数器(或称为压气机计数器)、旁路管道、压差检测器和分析控制单元，容积式计数器布置在挤压器壳体中，通过旁路管道容积式计数器可被绕行，压差检测器布置在旁路管道中，可驱动的容积式计数器根据作用在压差检测器上的压差通过分析控制单元可调节。
这种设备多年以来就已知并且例如用于在内燃机中的喷射量测量。
这种用于流量测量的设备的原始版本在文献DE-AS 1 798 080中记载。该电子控制的流量测量器具有一根带有入口和出口的主管道，在所述主管道中设有齿轮泵形式的旋转式容积式计数器。旁路管道平行于主管道延伸，通过旁路管道旋转式容积式计数器可绕行并且在旁路管道中设有在测量腔中的用作压差检测器的活塞。为了确定流量，在测量腔中借助光学传感器测量活塞的偏转。齿轮泵的转数由于该信号通过分析控制单元连续地再调节，即这样进行再调节，使得活塞尽可能一直复位到其初始位置中，从而在旁路管道中只形成很小的流动。因此，由通过编码器测量的齿轮泵转动或部分转动数量以及已知的齿轮泵在转动时的输送体积计算出在给定的时间区间内的流量。
这样构成的流量测量器也在文献DE10331228B3中公开。为了确定精确的喷射量曲线，齿轮泵在喷射开始之前分别设置到恒定的转数，从而然后测量活塞的运动并且利用该偏转来确定喷射曲线。在测量腔中附加地设有压力传感器以及温度传感器，其测量值为了计算和修正喷射量曲线同样被输入计算单元。
为了该测量器需要的是，使用可调节的驱动单元，其中，既可以以较高的精度实施控制又可以以较高的精度实施位置识别，用于被输送的测量流体正确的转换。另一方面应当注意的是，即使测量流体是腐蚀性的测量流体，它也不会引起对驱动单元的损坏。
因此为了驱动该容积式计数器通常使用电动机，在其输出轴上固定有电磁离合器的支撑永久磁铁的外转子，其内转子与外转子通过密封罐分离。这种电磁离合器例如由WO2015/018568 A1已知。
然而事实证明，由于电磁离合器的弹性以及电磁离合器的外转子到内转子的不能保证的完全携带会出现测量误差。附加地由于密封罐中的空气夹杂物产生测量精度，该空气夹杂物在运行时松散并且进入容积式计数器的输送室中。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供用于测量测量流体的流通过程的设备，借助该设备通过驱动器的优化改善测量结果。附加地应当降低成本并且只需利用更少的结构空间。驱动单元的激励应该独立于必要的输送量地、尽可能精确地进行。挤压轮的位置响应也应尽可能精确地进行，其中，误差由于出现的弹性应排除在外。
该技术问题通过具有权利要求1的特征的用于测量测量流体的流通过程的设备。
驱动单元通过密封式电机(Spalttopfmotor)形成，其中，密封罐(Spalttopf)将用测量流体填充的内部空间与外部空间分离，在内部空间中设有密封式电机的驱动轴和转子，在外部空间中设有密封式电机的支撑绕组的定子，由此实现的是，电动机直接地驱动容积式计数器，从而不再需要中间联接的部件，所述中间联接的部件一方面引起成本，另一方面提高电动机和挤压轮之间的弹性。(本发明)附加地降低结构空间需求。密封式电机是通常电子换向直流电机。
优选，容积式计数器的挤压轮至少抗扭地固定在密封式电机的驱动轴上并且密封式电机的支撑永久磁铁的转子至少抗扭地固定在密封式电机的驱动轴上或与驱动轴单件式制造，从而进行挤压轮的直接驱动。由此取消了中间联接的离合器的弹性。取而代之，关于挤压轮的位置位置反馈可以直接通过驱动轴进行。以这种方式能够实现被输送的体积流的非常精确的控制和计算。
在本发明的一种优选的设计方案中，在密封罐的(多个)轴向端部上分别构造有第一轴承承接部和第二轴承承接部，在第一轴承承接部和第二轴承承接部中设有第一轴承和第二轴承，通过第一轴承和第二轴承支承驱动轴。不需要用于支承挤压轮的附加轴承，因为通过轴承相互分离的布置可以可靠地吸收出现的剪力。
为了实现电动机在挤压器壳体上特别简单的安装，密封罐具有法兰，通过法兰将密封式电机固定在容积式计数器的挤压器壳体上。由此也可以确保密封罐内部空间与外部空间可靠的密封。
在本发明的优选的设计方案中，密封罐的凸缘从法兰延伸至挤压器壳体的开口中，在凸缘的内部布置第一轴承。以这种方式可以在安装时通过简单的插入进行密封罐在挤压器壳体上的预固定。附加地将前部轴承和挤压轮之间的距离减至最小，由此直接吸收再度出现的剪力。
在有利的设计方案中，密封罐在远离挤压器壳体的轴向端部上具有闭合的底部。这意味着，密封罐仅仅朝挤压器壳体打开。排除了在后方区域内的不密封性，如可能在使用密封管的情况中出现的不密封性。
在特别优选的设计方案中，在驱动轴上固定永久磁铁，该永久磁铁与无接触式传感器配合作用。通过这种传感器-磁铁-装置可以进行高精度的位置响应，其中，探测到的驱动轴位置也相当于直接布置在其上的挤压轮的位置。挤压轮的位置和求得的位置之间的偏移相应地不会出现。
在本发明的进一步扩展的设计方案中，永久磁铁布置在驱动轴的远离挤压器壳体的端部上，由此磁铁和无接触式的，尤其是磁阻传感器由于其位置很容易到达并且相应地能够容易安装。通过传感器在驱动轴的转轴线上的位置消除了定子的磁场的更大的影响。
在本发明的进一步改进的实施形式中，密封罐的底部布置于设置在驱动轴上的永久磁铁和无接触式的、尤其是磁阻传感器之间。相应地，传感器处于在空间上与磁铁分离并因此被保护地位于非流过的区域内，然而很容易触及，因此其电接头也可简单地制造。但在很大程度上排除了由传感器与磁铁之间现有的短距离造成的、通过外部磁场形成的误差。
在本发明的特别有利的设计方案中，在密封罐上构造有入口开口和出口开口，通过入口开口和出口开口将密封罐的内部空间与用于测量流通过程的设备的冲洗管道连接。通过这些开口相应地可以给密封罐的内部空间排气，因此避免了由从内部空间释放的并且进入输送室中的空气泡造成的测量误差。
为执行这种冲洗特别简单的结构方案实现的方式是，入口开口和出口开口构造在密封罐的凸缘的区域内。这能够实现密封罐的内部空间的冲洗，而无需安装附加的管道。在冲洗管道上的连接换而言之自动地在密封罐的安装时进行。密封罐的内部空间可以在一个步骤中通过设备的其余机组通风。
优选，入口开口构造在密封罐的测地学的下部区域中，出口开口构造在密封罐的测地学的上部区域中。以这种方式防止在内部空间内收集更大的空气量，因为空气向上升并且阻碍了此处存在的死角。全部的空气通过上部的出口开口排出。
在本发明的扩展设计中，冲洗管道从密封罐的出口开口通过挤压器壳体和活塞壳体延伸至出口。用于通风或冲洗的外部管道被省略。相反，本来存在的出口也可以用于排出空气或冲洗流体。
优选，冲洗管道从压差检测器的测量腔通过活塞壳体和挤压器壳体延伸至密封罐的入口开口。此处也省掉附加的管道。换而言之，测量腔可以同时并且在唯一一个方法步骤中借助密封罐通风。
因此提供一种用于测量测量流体的流通过程的设备，设备的容积式计数器的驱动单元具有较少的部件和很小的结构空间需求并且可以通过该设备高精度地控制挤压轮。附加地可以实现高分辨率和精确的位置响应，从而改善设备的测量值，因为位置反馈直接发生在与挤压轮耦连的部件上并且避免了驱动系中的弹性。附加地可以保证的是，确保可靠的通风，由此同样改善测量结果。
下面根据附图中所示的非限定性的实施例描述按本发明的用于测量流体的流通过程的设备。
图1示出按本发明的用于测量流体的流通过程的设备的流程图形式的示意图，
图2示出按本发明的设备的立体外视图，
图3示出与挤压器壳体可连接的驱动单元的立体图，
图4示出固定在挤压器壳体上的驱动单元的剖视图。
图1中示出的用于测量流体的流通过程的设备具有入口10和出口12，所述入口和出口通过主管道14相互连接，在主管道中设有旋转的容积式计数器16，容积式计数器设计成齿轮泵。
有待测量的流体、尤其是燃料从形成通过流体的设备、尤其是燃料高压泵或喷射阀通过入口10流入主管道14，并且被容积式计数器16输送，所述容积式计数器16可以被驱动单元18驱动。
在入口10和旋转的容积式计数器16之间、从主管道14分支出旁路管道20，该旁路管道在旋转的容积式计数器16的下游、并且在该容积式计数器16和出口12之间又通入主管道14并且相应地如同主管道14与入口10和出口12流通地连接。在该旁路管道20中设有平动的压差检测器22，该压差检测器22由测量腔24和轴向自由可移动地布置在测量腔24中的活塞26组成，该活塞具有与测量流体，也即燃料相同的比重，并且如同测量腔24圆柱形地成型；因此测量腔24具有内径，所述内径基本上相当于活塞26的外径。
通过借助容积式计数器16输送燃料以及通过将燃料喷入入口10并且通过经由旁路管道20将入口10流体连接至活塞的正面以及出口12流体连接至活塞26的背面、可以形成在活塞26的正面和背面之间的压差，该压差导致活塞26从其静止位置的偏转。相应地，活塞26的偏转是一种用于衡量作用的压差的度量。
为了能正确地确定该偏转量，在测量腔24上设有磁阻传感器28，该磁阻传感器与固定在活塞26中的磁铁30有效连接并且在该磁阻传感器28中通过活塞26的偏转由运动时作用在变化的且作用到传感器28上的磁场形成一个与活塞偏转大小有关的电压。
传感器28与分析控制单元32连接，该分析控制单元32处理该传感器28的值并且将相应的控制信号传递给驱动电机18，该驱动电机尽可能这样地控制，使得活塞26总是位于一个定义的初始位置，因此容积式计数器16通过输送不断地大致补偿由于喷入的流体在活塞26上形成的压力差。为此，活塞26的偏转或测量腔24中通过活塞挤压的体积借助传递函数换算为容积式计数器16的期望的输送体积或驱动电机18的转数并且给驱动电机18相应地通电。
在测量腔24中附加地设有压力传感器34，所述压力传感器34连续地测量在该区域内出现的压力。在主管道14中附加地存在用于测量流体温度的温度传感器36。将两个测量值输送给分析控制单元32，以便在计算时能考虑密度的变化。
测量的过程这样进行，使得在计算有待确定的总流量时、在分析控制单元32中既考虑通过测量腔中的活塞26的运动或位置和以此挤压的体积形成在旁路管道20中的流量也考虑在给定的时间区间内容积式计数器16的实际流量并且将两个流量彼此相加以便确定总流量。
进行确定活塞26上的流量的方式是，例如在与传感器28连接的分析控制单元32中，活塞26的偏转被微分，然后与活塞26的底面相乘，从而在旁路管道20中获得以该时间区间的体积流量。
通过容积式计数器16并因此在主管道14中的流量可以或者由求得的用于调节容积式计数器16的控制数据确定或者若转数直接地通过光学编码器或磁阻传感器测量则通过转数计算。
在图2中示出按本发明的用于测量按时间分解的流通过程的设备的外视图。按本发明的设备具有壳体38，该壳体制成为由两部分组成，其中，在用作挤压器壳体40的第一壳体部分中布置容积式计数器16，在用作活塞壳体42的第二壳体部分中布置压差检测器22。附加地在活塞壳体42上构造入口10和出口12。容积式计数器16的驱动单元18以及分析控制单元32布置在护罩44的内部，该护罩与活塞壳体42相同固定在挤压器壳体40上。
在图3中示出用于驱动容积式计数器16的驱动单元18。该驱动单元18按本发明由密封式电机46组成。它具有支撑永久磁铁48的转子50，该转子通过驱动轴52的径向扩宽区段形成并且具有容纳部53，在容纳部53中固定永久磁铁48。为了径向地固定该永久磁铁48，用套筒55包围转子50，通过该套筒封闭容纳部53并且将套筒固定在转子50上。该转子50采用已知的方式与布置在密封罐54的径向外部的且包围转子50的定子56配合，该定子具有绕组58，为了驱动密封式电机46以给定的顺序给该绕组通电。密封罐54在此将密封罐54的被测量流体流过的内部空间60与干燥的外部空间62密封地分离，在该内部空间中设置转子50，在外部空间62中设置定子56。相应地，驱动轴52在密封罐54的内部的支承装置通过转子50的两个布置在轴向对置的侧面上的轴承64、66制成，轴承64、66以其内圈轴向地抵靠在扩宽区段上。第一轴承承接部68位于密封罐54的凸缘70的内部，该凸缘70，如图4中可见，在安装状态下延伸到挤压器壳体40的后壁74的开口72中并且径向地贴靠在限定开口72边界的壁上。第一轴承64以其外圈轴向地抵靠凸缘70的止挡75。第二轴承承接部76位于密封罐54的与凸缘70相反的轴向端部上，该轴向端部通过密封罐54的底部78轴向地封闭，其中，第二轴承66以其外圈轴向地抵靠在底部78上。
在径向内部区域中，底部78具有圆形的凹处80，驱动轴52的设有圆形的永久磁铁82的端部突伸入凹处80中，该永久磁铁82相应地与底部78直接对置地设置在转轴上。在密封罐54的底部78的与永久磁铁82轴向对置侧上设有无接触式传感器84，该无接触式传感器84可以设计成例如霍尔-传感器。该传感器84或者直接地布置在密封罐54的底部上或者布置在薄板上，该薄板也可以布置在周围的电机壳体86的指向密封罐54的底部78的端部上，该端部具有未示出的开口，电线通过此开口进入，通过该电线实现传感器84和固定地设置在电机壳体86中的定子56的电连接。
电机壳体86封闭密封罐54的轴向端部，在该轴向端部上设置传感器84，并且电机壳体86从此处空心圆柱形地、以包围定子56和密封罐54的形式延伸至密封罐54的法兰88，该法兰沿轴向位于凸缘70和转子50的支撑永久磁铁48的部分之间、并在径向上延伸，并且电机壳体86固定在法兰88上。
在图4中可见，密封罐54在安装时首先通过其凸缘70插入挤压器壳体的开口72，直至法兰88抵靠在挤压器壳体40的后壁74上，其中，在凸缘70的径向外部区域上构造环形的槽90，密封装置92嵌入该槽90中，该密封装置92抵靠在限定开口72边界的壁上，从而测量流体不会向外渗透。然后，密封罐54通过螺丝94固定在挤压器壳体40上，该螺丝94通过法兰88中的孔插入。在驱动轴52的突伸入挤压器壳体40的端部上固定有挤压轮96，该挤压轮设计成外齿轮并且与齿圈98的内齿啮合，该齿圈98支承在背侧闭合的套筒100中，该套筒限定容积式计数器16的输送室102的边界并且固定在挤压器壳体40的容纳开口104中。
在密封罐54的凸缘70的上侧并且在槽90和第一轴承承接部68之间构造有从密封罐54的内部空间60朝径向外部导引的出口开口106，该出口开口又接通挤压器壳体40的径向限定开口72边界的壁上的凹处108，所述壁直接径向对置。在挤压器壳体40的朝套筒100指向的后壁111上的部分绕开口72延伸的槽110将该凹处108延长至套筒100的轴向孔之前，该轴向孔通入套筒100的与设备的排流通道流体连接的槽，该排流通道通过活塞壳体42延伸至出口12。附加地在密封罐54的凸缘70的测地学的下部区域中且在槽90和第一轴承承接部68之间构造有朝径向内部导引入密封罐54的内部空间60的入口开口116，该入口开口116同样与挤压器壳体40的径向限定开口72边界的壁上的凹处118流通地连接，该凹处118同样直接地与入口开口116对置。该凹处118与后壁111上的用作进流通道的槽119流通地连接，该槽119又通过套筒100中的通孔和在活塞壳体42中进一步导引的通道与压差检测器22的测量腔24的未示出的旁路开口连接，通过旁路开口可建立与入口10的连接。因此，槽110、119、凹处108、118和孔120用作冲洗管道124。
在开始运转时，测量流体在容积式计数器16未驱动的情况下流入入口10并且通过压差检测器22的测量腔24、旁路开口、活塞壳体42中的通道、通孔、槽119和凹处118、经由入口开口116进入密封罐54的内部空间60。因为在密封罐54中存在的空气向上升，所以空气在冲洗时通过出口开口106、凹处108、槽110、孔、套筒100的槽和活塞壳体42中的排流通道向出口12排出。相应地，在密封罐54的内部空间60中不积累空气泡，该空气泡由于空气的可压缩性会导致测量误差的情况是，该空气泡在工作中散开并且进入输送室102。
用于计算借助容积式计数器16输送的体积流的位置响应也是高度精确的，因为挤压轮96直接地布置在驱动单元18的驱动轴52上并且位置的测量也直接地在该驱动轴52上借助磁铁82-传感器84-组合实现。由此可见，测得的位置总是精确地对应挤压轮96的位置或转速。在挤压轮96的位置和测量部位之间的弹性，如同会出现在电磁离合器中的弹性或甚至是可能导致错误测量的、电磁离合器转子上下之间的滑脱已不存在。相应于压差检测器22的信号的控制也可以高精度地进行。
因此实现了高精度的测量结果。附加地通过使用密封罐54缩小了所需的结构空间并且减小了零件数量。然而实现了设备的高密封性，因此可靠地防止了测量流体的流出，从而也保护了定子的绕组。该设备相应地也具有较长的寿命。
应当明确的是，本发明不限于所描述的实施例，而是还可以在独立权利要求的保护范围内进行各种不同的变型。因此，通道和壳体部分的布局同样可以根据容积式计数器的实施形式来改变，容积式计数器也可以设计成例如双齿轮泵或叶片泵。在独立权利要求的保护范围内的、密封式电机的结构也可以改变。

Claims (14)

1.一种用于测量测量流体的流通过程的设备，其具有
入口(10)，
出口(12)，
通过驱动单元(18)可驱动的容积式计数器(16)，所述容积式计数器(16)布置在挤压器壳体(40)中，
旁路管道(20)，通过旁路管道(20)容积式计数器(16)能够被绕行，
压差检测器(22)，所述压差检测器(22)布置在所述旁路管道(20)中，
分析控制单元(32)，可驱动的容积式计数器(16)通过所述分析控制单元(32)根据作用在压差检测器(22)上的压差可被调节，
其特征在于，所述驱动单元(18)通过密封式电机(46)形成，其中，密封罐(54)将被测量流体填充的内部空间(60)与外部空间(62)分离，在所述内部空间(60)中设有密封式电机(46)的驱动轴(52)和转子(50)，在所述外部空间(62)中设有密封式电机(46)的承载绕组(58)的定子(56)。
2.根据权利要求1所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，容积式计数器(16)的挤压轮(96)至少抗扭地固定在密封式电机(46)的驱动轴(52)上，并且密封式电机(46)的支撑所述永久磁铁(48)的转子(50)至少抗扭地固定在所述密封式电机(46)的驱动轴(52)上或与所述驱动轴(52)一体式制成。
3.根据前述权利要求之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，在所述密封罐(54)的轴向端部上构造有第一轴承承接部(68)和第二轴承承接部(76)，在第一轴承承接部(68)和第二轴承承接部(76)设有第一轴承(64)和第二轴承(66)，通过所述第一轴承(64)和第二轴承(66)支承所述驱动轴(52)。
4.根据前述权利要求之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述密封罐(54)具有法兰(88)，通过所述法兰(88)将所述密封式电机(46)固定在所述容积式计数器(16)的挤压器壳体(40)上。
5.根据权利要求4所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述密封罐(54)的凸缘(70)从所述法兰(88)延伸至所述挤压器壳体(40)的开口(72)中，在所述凸缘(70)的内部设置所述第一轴承(64)。
6.根据前述权利要求之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，在所述密封罐(54)的远离挤压器壳体(40)的轴向端部上具有闭合的底部(78)。
7.根据前述权利要求之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，在所述驱动轴(52)上固定有永久磁铁(82)，所述永久磁铁(82)与无接触式传感器(84)配合作用。
8.根据权利要求7所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述永久磁铁(82)固定在所述驱动轴(52)的远离挤压器壳体(40)的端部上。
9.根据权利要求8所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述密封罐(54)的底部(78)设置于布置在驱动轴(52)上的永久磁铁(82)和无接触式传感器(84)之间。
10.根据前述权利要求之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，在所述密封罐(54)上构造有入口开口(116)和出口开口(106)，密封罐(54)的内部空间(60)通过入口开口(116)和出口开口(106)与用于测量流通过程的设备的冲洗管道(124)连接。
11.根据权利要求10所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述入口开口(116)和所述出口开口(106)构造在所述密封罐(54)的所述凸缘(70)的区域内。
12.根据权利要求10或11所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述入口开口(116)构造在所述密封罐(54)的测地学的下部区域中，所述出口开口(106)构造在所述密封罐(54)的测地学的上部区域中。
13.根据权利要求10至12之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述冲洗管道(124)从所述密封罐(54)的出口开口(106)通过所述挤压器壳体(40)和活塞壳体(42)延伸至出口(12)。
14.根据权利要求10至13之一所述的用于测量流体的流通过程的设备，
其特征在于，所述冲洗管道(124)从所述压差检测器(22)的测量腔通过所述活塞壳体(42)和所述挤压器壳体(40)延伸至所述密封罐(54)的入口开口(116)。
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