DE102004033007B3

DE102004033007B3 - Vorrichtung zur Durchsatzmessung eines Massenstromes

Info

Publication number: DE102004033007B3
Application number: DE102004033007A
Authority: DE
Inventors: Claus Friedrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: EP1619481B1; US20060005636A1; ATE409308T1; DE502005005454D1; EP1619481A1; US7077013B2

Abstract

Vorrichtung zur Messung eines Massenstromes nach dem Coriolis-Prinzip, die ein mit konstanter Drehzahl angetriebenes Flügelrad aufweist, auf das der Materialstrom aufgegeben, umgelenkt und beschleunigt wird, wobei das Drehmoment des Flügelrades gemessen wird. Bei der Vorrichtung ist das Flügelrad (2) an einem Torsionsfederstab (7) aufgehängt, der innerhalb einer Hohlwelle (6) angeordnet ist. Das Flügelrad (2) ist als ein über diesen Torsionsfederstab (7) angetriebenes Flügelrad (2) ausgebildet, und es ist wenigstens ein Sensor (8, 10) zur Messung des Winkelversatzes zwischen der antreibenden Hohlwelle (6) und dem Flügelrad (2) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchsatzmessung eines Massenstromes.

Zum Stand der Technik gehören Vorrichtungen für eine Durchsatzmessung eines Massenstromes, beispielsweise eines Schüttgutstromes bestehend aus Getreidekörnern nach dem Coriolis-Messprinzip. Das Messelement bildet ein Flügelrad, das mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Dieses Flügelrad wird axial von einem Schüttgutstrom beaufschlagt. Über eine Leitvorrichtung wird das Schüttgut radial den Leitschaufeln zugeführt und von diesen auf eine konstante Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt. Das hierfür erforderliche Drehmoment ist genau proportional zum gewichtsmäßigen Durchsatz. Bezüglich des Messprinzips wird auf das deutsche Patent DE 33 46 145 A1 und die europäische Patentanmeldung EP 0 146 902 A2 verwiesen und die Offenbarung dieser Schutzrechte zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Die auszuwertende Messgröße dieses Wiegesystems ist die exakte Drehmomenterfassung. Eine Leistungsmessung am Motor, wie sie gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, ist zu ungenau. Eine Drehmomentmessung direkt an der Antriebswelle des Flügelrades ist sehr aufwändig, daher wird gemäß dem Stand der Technik der Motor pendelnd gelagert und das Reaktionsmoment über eine Wägezelle erfasst. Diese Drehmomentmessung ist sehr genau, problematisch ist hierbei allerdings die Erfassung von sehr niedrigen Drehmomenten bei kleinen Durchsatzleistungen bedingt durch das relativ hohe Gewicht des Motors und die auftretende Lagerreibung.

Diese Problematik wird gemäß dem Stand der Technik dadurch verbessert, dass das Flügelrad selbst pendelnd gelagert und über ein Federelement angetrieben wird. Hierdurch kommt es zu einem Winkelversatz von der Antriebswelle zum Flügelrad in Abhängigkeit vom erforderlichen Drehmoment und damit zur Durchsatzleistung. Dieser Winkelversatz wird bei jeder Umdrehung durch zwei Näherungsschalter zeitlich erfasst. Der zeitliche Abstand zwischen der starren Antriebswelle und dem über eine Feder angetriebenen Flügelrad entspricht dem erforderlichen Drehmoment und somit dem Massendurchsatz.

Dieses Messsystem ist in dem deutschen Gebrauchsmuster Nr. 201 15 010.7 beschrieben. Die Problematik bei dieser Anordnung liegt jedoch in der notwendigen Lagerung des Flü gelrades im Staubbereich und in der reibungslosen Abdichtung dieser Lagerung.

Zum Stand der Technik ( DE 696 25 184 T2 ) gehört ein Coriolis-Massendurchflussmessgerät mit konzentrischen Rotoren. Dieses Gerät ist ausschließlich für die Massendurchflussmessung eines Fluids geeignet. Ein Schüttgutstrom kann mit dieser Vorrichtung nicht gemessen werden.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( EP 0 590 187 B1 ) eine Vorrichtung zum Messen eines Massenstromes, welche jedoch nicht für die Messung von kleinen Mengen verwendbar ist, da die Lagerung des dort vorgesehenen Flügelrades bei kleinen Leistungen als relativ große Störgröße eingeht.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik (US-PS 3,331,244) eine Vorrichtung zur Messung eines Schüttgutstromes. Bei dieser Vorrichtung ist ein Flügelrad vorgesehen, welches kugelgelagert angeordnet ist. Durch die Lagerung des Flügelrades mittels Kugellagern entsteht aufgrund der Reibung ein Winkelversatz des Flügelrades, der als Fehler in die eigentliche Messung eingeht.

Darüber hinaus gehört zum Stand der Technik (US-PS 2,832,218) eine Vorrichtung zur Messung eines Fluidstromes. Diese Vorrichtung weist ebenfalls ein Flügelrad auf, welches auf einer kugelgelagerten Achse angeordnet ist. Auch hier tritt wiederum eine Reibung auf, die als Störgröße in die Messung eingeht.

Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( DE 201 15 010 U1 ) eine Vorrichtung zur Durchsatzmessung eines Massenstromes, bei der ebenfalls Kugellager für die Lagerung der Achse des Flügelrades vorgesehen sind. Auch diese zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung weist die genannten Nachteile auf.

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Vorrichtung zur Messung eines Massenstromes anzugeben, mit der auch kleine Schüttgutströme annähernd störgrößenfrei erfasst werden können, und die darüber hinaus einfach in ihrem Aufbau ist.

Dieses technische Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Flügelrad über einen Torsionsfederstab aufgehängt und gleichzeitig angetrieben wird. Hierdurch ist eine reibungslose Lagerung des Flügelrades möglich ohne Beeinflussung durch Staub oder Schmutz. Es sind lediglich zwei Gleitlagerbüchsen zwischen dem Torsionsstab und der Antriebsachse, die als Hohlwelle ausgebildet ist, zur vertikalen Führung des Flügelrades erforderlich. Diese Gleitlager, die nur den Winkelversatz aufnehmen müssen, erzeugen keine fehlerhafte Reibung, da durch die gleichzeitige Rotation von Hohlachse und Torsionsfederstab eine eventuell auftretende Hysterese des Winkelversatzes vermieden wird.

Durch die hysteresefreie vertikale Lagerung wird der Winkelversatz vermieden, und die Vorrichtung eignet sich hervorragend für kleine Schüttgüterströme.

In der zum Messsystem gehörenden Auswerteelektronik wird der Winkelversatz zwischen der Antriebswelle und dem Flügelrad vorteilhaft durch Messung der Impulsabstandszeit erfasst. Dieser Winkelversatz ist proportional zum jeweiligen Massendurchsatz in kg/h.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nur beispielhaft dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Sensoren im Längsschnitt;
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Sensor im Längsschnitt;
3 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles III der 2.
In 1 ist in einem runden Gehäuse (1) ein Flügelrad (2) mit Leitschaufeln (3) vertikal angeordnet. Das Flügelrad (2) wird von einem Elektromotor (4) über einen Riemenantrieb (5) und über eine Antriebswelle (6) mit konstanter Drehzahl angetrieben. Das Flügelrad (2) ist an einem Torsionsfederstab (7) pendelnd aufgehängt. Die Antriebswelle (6) ist als Hohlwelle ausgebildet und treibt von oben über den Torsionsfederstab (7) das Flügelrad (2) an.
Der Massenstrom (11) wird zentral dem Flügelrad (2) zugeführt und radial durch die Leitschaufeln (3) beschleunigt. In Abhängigkeit vom Massendurchsatz und der Steifigkeit des Torsionsfederstabes (7) wird das Flügelrad (2) gegenüber der Antriebswelle (6) um einen definierten Winkel verschoben. Diese Winkelverschiebung wird durch zwei Sen soren (8, 10) bei jeder Umdrehung berührungslos erfasst. Der erste Sensor (8) befindet sich im Bereich eines Antriebsrades (9), der zweite Sensor (10) ist über dem Flügelrad (2) angeordnet. Diese beiden Sensoren (8, 10) werden so eingestellt, dass bei jeder Umdrehung zunächst der erste Sensor (8) eine Impulsflanke und kurz darauf der zweite Sensor (10) eine weitere Impulsflanke liefert. Diese Impulsflanken werden durch eine genaue Zeitmessung erfasst und ausgewertet.
Das axial verdrehbare Flügelrad (2) wird in zwei Gleitlagern (12) horizontal geführt. Diese Lager (12) nehmen nur den Winkelversatz auf und unterliegen dadurch praktisch keinem Verschleiß. Durch die Rotation der Hohlwelle (6) verursachen diese Gleitlager keine Hysterese, die das Messergebnis verfälschen könnte.
Neu an der Erfindung ist, dass das Flügelrad (2) über den Torsionsfederstab (7) aufgehängt ist. Über die Verdrehung des Flügelrades (2) zu der Hohlwelle (6) und den Versatz des Flügelrades (2) zu der Hohlwelle (6) wird der Durchsatz gemessen. Das Flügelrad (2) wird langsamer, wenn das Schüttgut, beispielsweise das Getreide (11) auf das Flügelrad (2) trifft, so dass eine Torsion auftritt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungbeispiel gezeigt, mit dem es möglich ist, die Impulsabstände mit nur einem Sensor (8) am Antriebsrad (9) zu erfassen. Durch das Einfügen einer zweiten Hohlwelle (13), die in der ersten Hohlwelle (6) frei drehbar angeordnet ist, wird der Verdrehungswinkel des an der zweiten Hohlwelle (13) kraftschlüssig angeordneten, von dem Torsionsfederstab (7) angetriebe nen Flügelrades (2) durch das Antriebsrad (9) nach oben geführt und dort auf der gleichen Höhe wie der Winkel des Antriebsrades (9) von nur einem Sensor (8) erfasst.
Diese Erfassung des Drehwinkels ist in 3 dargestellt. Vom Motor (4) wird die äußere Hohlwelle (6) angetrieben und schaltet über den horizontalen Stab (14) den Sensor (8). Abhängig vom jeweiligen Verdrehwinkel wird über den horizontalen Stab (15) der Sensor (8) einige Millisekunden später geschaltet. Aus dieser Impulsabstandszeit wird die Durchsatzleistung von der Auswertelektronik errechnet.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass Messfehler durch unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten und sonstige Einflüsse auf den Schaltabstand von zwei Sensoren vermieden werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Impulsmessung außerhalb der Staub- und Verschmutzungszone.

1: Gehäuse
2: Flügelrad
3: Leitschaufeln
4: Elektromotor
5: Riemenantrieb
6: Antriebswelle
7: Torsionsfederstab
8: Sensor
9: Antriebsrad
10: Sensor
11: Massenstrom
12: Gleitlager
13: Hohlwelle
14: Stab an Hohlwelle (6)
15: Stab an Hohlwelle (13)

Claims

Vorrichtung zur Messung eines Massenstromes nach dem Coriolis-Prinzip, die ein mit konstanter Drehzahl angetriebenes Flügelrad aufweist, auf das der Materialstrom aufgegeben, umgelenkt und beschleunigt wird, wobei das Drehmoment des Flügelrades gemessen wird, und bei der das Flügelrad (2) an einem Torsionsfederstab (7) aufgehängt ist, der innerhalb einer Hohlwelle angeordnet ist, und bei der das Flügelrad (2) als ein über diesen Torsionsfederstab (7) angetriebenes Flügelrad (2) ausgebildet ist, und bei dem wenigstens ein Sensor (8, 10) zur Messung des Winkelversatzes zwischen der antreibenden Hohlwelle (6) und dem Flügelrad (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsfederstab vertikal und hysteresefrei gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Sensor (8) für die Erfassung des Drehwinkels einer zweiten Hohlwelle (13) und für die Erfassung des Drehwinkels der ersten Hohlwelle (6) vorgesehen ist, dass die erste Hohlwelle (6) als eine von einem Antrieb (9) angetriebene Hohlwelle (6) ausgebildet ist, dass das Flügelrad (2) als ein über diesen Torsionsfederstab (7) angetriebenes Flügelrad (2) ausgebildet ist, und dass das Flügelrad (2) mit der zweiten Hohlwelle (13) kraftschlüssig verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hohlwelle (13) für die Übertragung des Winkelversatzes des Flügelrades (2) als eine durch das Antriebsrad (9) geführte Hohlwelle (13) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (8) im Bereich eines Antriebsrades (9) der Hohlwelle (6) angeordnet ist, und dass der zweite Sensor (10) im Bereich des Flügelrades (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der ersten Hohlwelle (6) angeordneter Stab (14) und ein an der zweiten Hohlwelle (13) angeordneter Stab (15) ausgebildet ist, und dass die Stäbe (14, 15) als den Sensor (8) auslösende Stäbe ausgebildet sind.