DE10012315B4 - Sensor zur berührungslosen Messung der Drehung eines Rotors in einem Flüssigkeitsdurchflußmesser - Google Patents

Abstract

Sensor zur berührungslosen Messung der Drehung eines Rotors in einem Flüssigkeitsdurchflußmesser, wobei der Rotor, der in einem Gehäuse aus einem nicht magnetisierbaren Material gelagert ist, das mindestens eine Sackbohrung aufweist für die Aufnahme einer elektromagnetischen Spule, die mit Hilfe einer Schaltungsanordnung annähernd in Resonanz betrieben wird und deren Impedanz bei Drehung des Rotors durch elektromagnetische Wechselwirkung mit diesem periodisch verändert wird, mit einer Zählvorrichtung, die die Anzahl der Änderungen pro Zeiteinheit zählt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus metallisch leitendem Material besteht, der Rotor (10) aus nicht magnetisierbarem metallisch leitendem Material besteht, der Rotor (10) stirnseitig mindestens einen ferromagnetischen Einsatz (20) enthält und der zum Gehäuseinneren hinweisende Boden der stirnseitigen Sackbohrung (18) so dünn und die Frequenz des Schwingkreises so gewählt ist, daß im wesentlichen nur durch den Vorbeilauf des Einsatzes (20) eine signifikante Bedämpfung der Spule (26) stattfindet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur berührungslosen Messung der Drehung eines Rotors in einem Flüssigkeitsdurchflußmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Flüssigkeitsdurchflußmesser arbeiten häufig mit rotatorisch nach dem Verdrängerprinzip angetriebenen Läufern. Beispielsweise nimmt der Rotor in radialen Ausnehmungen Flügel auf, die dichtend mit einem Hohlraum im Gehäuse zusammenwirken. Durch seitliche Abdichtung zum Gehäuse ist dafür gesorgt, daß die gesamte Flüssigkeitsmenge zur Drehung des Rotors beiträgt und keine Kurzschlüsse verursacht werden. Durch Zählung der Umdrehungen des Rotors läßt sich die Durchflußmenge bestimmen.
• Es ist bekannt, die Drehfrequenz dadurch zu bestimmen, daß eine Welle des Rotors herausgeführt und die Drehung der Welle gemessen wird, beispielsweise auf optischem Wege oder durch strukturierte Metallscheiben, die mit einer elektromagnetischen Spule zusammenwirken. Bei Annäherung an metallische leitfähige Bereiche ändert sich die Dämpfung bzw. die Impedanz der Spule aufgrund der im Metall erzeugten Wirbelströme. Wird die Spule in Resonanz betrieben, findet durch die Impedanzänderung eine Verstimmung statt, so daß diese Änderungen gezählt werden können.
• Es ist auch bekannt, einen mit einer elektromagnetischen Spule ausgestatteten Sensor oder eine Mehrzahl von Sensoren durch Bohrungen im Deckel des Gehäuses des Durchflußmessers an den Rotor heranzubringen und aufgrund unterschiedlicher Wirbelstromeffekte die Drehung des Rotors zu bestimmen. Die Meßfrequenz bei derartigen Meßmethoden liegt zwischen 100 kHz und 10 Hz. Diese relativ hohen Frequenzen sichern aufgrund des hohen Skin-Effekts die zuverlässige Erkennung von leitfähigen Materialien weitgehend unabhängig von deren Leitfähigkeit. Zudem sind beim Einsatz derartiger Impulsgeber als Zähler sehr hohe Zählraten möglich.
• Die beschriebenen Lösungen haben den Nachteil, daß zwischen der Meßkammer, in der der Rotor im Gehäuse läuft, und dem Bereich außerhalb der Meßkammer eine physikalische Verbindung besteht. Eine solche Verbindung muß mit vorgegebenen Mindestspalten und einer Reihe von Dichtungen gesichert werden, was aufwendig und störanfällig ist. Des weiteren besteht das Problem bei explosionsgeschützten Installationen. Werden von den Durchflußmessern beispielsweise brennbare oder explosive Flüssigkeiten gemessen, andererseits die Meßspulen mit Spannung betrieben, bereitet es Schwierigkeiten, die behördlichen Anforderungen an Explosionssicherheit zu erfüllen.
• Aus DE 4 026 692 A1 ist ein Flüssigkeitsdurchflußmesser bekannt geworden, dessen Gehäuse aus Kunststoffmaterial besteht und eine Sackbohrung aufweist für die Aufnahme einer elektromagnetischen Spule. Die Spule ist annähernd in Resonanz betrieben, und ihre Impedanz ändert sich periodisch bei Drehung des Rotors durch elektromagnetische Wechselwirkung. Eine Zählvorrichtung zählt die Anzahl der Änderungen pro Zeiteinheit. Die Rotorflügel sind metallisch beschichtet oder mit metallischen Hülsen versehen. Für radial bewegliche Flügel ist jedoch eine metallische Beschichtung oder das Anordnen von Hülsen auf den Flügeln nicht geeignet.
• Aus DE 2 943 184 A1 , DE 3 300 657 A1 oder JP 63/100327A Pat. Abstr. of Japan, P-758, 1988, Vol. 12, No. 341 ist bekannt geworden, zwecks Durchflußmessung Magneten zu verwenden, zur Betätigung eines Näherungssensors. Magneten haben den Nachteil, dass sie Schmutzteilchen anziehen und sich dadurch sehr rasch im Spalt zwischen Gehäuse und Rotor festsetzen und zu einem Klemmen des Rotors führen können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten Sensor zur berührungslosen Messung der Drehung eines Rotors in einem Flüssigkeitsdurchflußmesser zu schaffen, bei dem eine direkte Verbindung zwischen der Meßkammer und dem Außenbereich entfallen kann und Störungen durch Festsetzen von Metallpartikeln im Spalt zwischen Rohr und Gehäuse vermieden sind.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß ist der Rotor mit mindestens einem ferromagnetischen Einsatz versehen, wobei der Sensor in einer Bohrung in der Gehäusewand untergebracht ist, die zum Gehäuseinneren abgeschlossen ist. In der Bohrung befindet sich eine in Resonanz betriebene elektromagnetische Spule, eine Verbindung zur Meßkammer besteht jedoch nicht. Das Material des Gehäuses besteht aus einem metallisch leitenden, jedoch nicht ferromagnetischem Material. Der Boden ist relativ dünn, vorzugsweise in seiner Dicke kleiner als 1,5 mm.
• Der Schwingkreis ist unter Berücksichtigung der permanenten Wirbelstromverluste im Gehäuse abgeglichen und wird erst durch Annäherung des am Rotor befindlichen magnetisierbaren Einsatzes bestimmt. Somit ist der Sensor vorwiegend empfindlich für magnetisierbare Materialien hinter einer metallischen Abtrennung.
• Der Sensor des Durchflußmessers arbeitet als induktiver Impulsgeber und ermöglicht eine Messung der Drehbewegung des metallischen – aus nicht magnetisierbarem Material bestehenden – Rotors durch das metallische Gehäuse hindurch. Wird die Meßfrequenz relativ klein gewählt, beispielsweise im Bereich von 8 bis 30 kHz, kann das von der Spule erzeugte Magnetfeld den Boden der Bohrung aufgrund des reduzierten Skin-Effekts durchdringen. Voraussetzung ist, dass das Gehäusematerial im Bereich der Bohrung keine ausgeprägten ferromagnetischen Eigenschaften besitzt. Mithin wird das Magnetfeld der Spule durch den ferromagnetischen Einsatz beeinflußt, was zu einer entsprechenden Bedämpfung der Spule führt. Die im metallischen Rotor verursachten Wirbelströme, die ihrerseits ein, Magnetfeld zur Folge haben, sind gering. Die Annäherung des ferromagnetischen Einsatzes an der Spule führt mithin zu einer deutlichen Veränderung der Spulenimpedanz.
• Wie gezeigt, wird daher durch den erfindungsgemäßen Sensor eine Verbindung zwischen der Meßkammer und außerhalb der Meßkammer nicht mehr erforderlich.
• Die Bohrung zur Aufnahme des mindestens einen Sensors befindet sich vorzugsweise im stirnseitigen Deckel für das Gehäuse. Die Anordnung eines solchen Sensors im Gehäusedeckel ist für sich genommen bekannt.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• 1 zeigt die Seitenansicht eines Rotors eines an sich bekannten Flüssigkeitsdurchflußmessers.
• 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Rotors nach 1 sowie des Deckels, der das sonst nicht weiter gezeigte Gehäuse abschließt.
• In 1 ist schematisch ein Rotor 10 dargestellt für einen an sich bekannten Flüssigkeitsdurchflußmesser, der am Umfang vier in gleichmäßigem Umfangsabstand angeordnete Ausnehmungen 12 für die Aufnahme von Flügeln oder Blättern aufweist, die zusammen mit einer nicht gezeigten Kammer eines nicht gezeigten Gehäuses eine Meßkammer bilden, durch welche Flüssigkeit hindurchströmt und dabei über die Flügel den Rotor 10 in Drehung versetzt. Die Drehachse ist mithin senkrecht zur Zeichenebene. In 2, welche einen Teilschnitt durch den Rotor nach 1 sowie des Gehäuses zeigt, ist zu erkennen, dass der Rotor 10 mit Hilfe eines Wälzlagers 14 im Deckel 16 des Gehäuses drehbar gelagert ist. Es versteht sich, dass auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses eine entsprechende Lagerung des Rotors 10 vorgenommen ist.
• In Sackbohrungen 18 an der Stirnseite des Rotors 10 sind in gleichmäßigen Umfangsabständen kreisförmige bzw. zylindrische Einsätze 20 aus ferromagnetischem Material eingesetzt. Die Außenseite der Einsätze 20 schließt bündig mit der Stirnseite des Rotors 10 ab, welcher nur einen minimalen Spalt mit dem Deckel 16 bildet.
• Auf einem Kreis konzentrisch zur Drehachse des Rotors 10 sind von außen in den Deckel 10 Sackbohrungen 22 geformt. Die Anzahl der Sackbohrungen 22 kann der Anzahl der Einsätze 20 entsprechen, jedoch auch geringer sein. Der Teilkreis der Sackbohrungen 22 entspricht dem Teilkreis für die Einsätze 18.
• In jeder Sackbohrung 22 ist ein induktiver Sensor 24 angeordnet, der eine elektromagnetische Spule 26 aufweist, die von einer nicht gezeigten Schaltungsanordnung in Resonanz betrieben wird. Die Spule 26 ist in bzw. an einem Stift 28 angebracht, der in die Sackbohrung 22 eingesetzt ist und der am äußeren Ende durch eine Kappe 30 abgeschlossen ist, die dichtend an der Außenseite des Deckels 16 anliegt. Die übrigen Schaltungskomponenten für einen Schwingkreis sind ebenfalls am bzw. im Stift angeordnet, können jedoch außerhalb des Gehäuses ihren Platz haben. In jedem Fall ist eine elektrische Verbindung von außen zur Spule zu schaffen, mindestens eine zur Spannungserzeugung.
• Der Deckel 16 ist ebenso wie der Rotor 10 aus leitfähigem Material. Er ist jedoch aus nicht-ferromagnetischem Material, so daß die elektromagnetische Spule 26 zwar Wirbelströme im Deckel 16 erzeugt und auch im Rotor 10. Die Auswirkung der Felder dieser Wirbelströme auf das Feld der Spule 26 ist jedoch relativ gering im Verhältnis zur Wechselwirkung zwischen Spule 26 und den ferromagnetischen Einsätzen 20.
• Die Frequenz, mit der die Spulen 26 betrieben werden, ist relativ gering, etwa zwischen 8 und 30 kHz. Daher vermag das elektromagnetische Feld den relativ dünnen Boden der Sackbohrung 22, welcher 1,5 mm oder kleiner ist, zu durchdringen und mit den Einsätzen 20 in Wechselwirkung treten.

Claims (4)

1. Sensor zur berührungslosen Messung der Drehung eines Rotors in einem Flüssigkeitsdurchflußmesser, wobei der Rotor, der in einem Gehäuse aus einem nicht magnetisierbaren Material gelagert ist, das mindestens eine Sackbohrung aufweist für die Aufnahme einer elektromagnetischen Spule, die mit Hilfe einer Schaltungsanordnung annähernd in Resonanz betrieben wird und deren Impedanz bei Drehung des Rotors durch elektromagnetische Wechselwirkung mit diesem periodisch verändert wird, mit einer Zählvorrichtung, die die Anzahl der Änderungen pro Zeiteinheit zählt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus metallisch leitendem Material besteht, der Rotor (10) aus nicht magnetisierbarem metallisch leitendem Material besteht, der Rotor (10) stirnseitig mindestens einen ferromagnetischen Einsatz (20) enthält und der zum Gehäuseinneren hinweisende Boden der stirnseitigen Sackbohrung (18) so dünn und die Frequenz des Schwingkreises so gewählt ist, daß im wesentlichen nur durch den Vorbeilauf des Einsatzes (20) eine signifikante Bedämpfung der Spule (26) stattfindet.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden eine Dicke von höchstens 1,5 mm aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (22) im stirnseitigen Deckel des Gehäuses angeordnet ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Spule (26) zwischen 8 und 30 kHz liegt.