Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Genauigkeit und eine Auflösung einer
Volumenmessvorrichtung zu verbessern.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Volumenmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1, ein Verfahren zur Volumenmessung mit den Merkmalen des Anspruches
16 sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruches
23. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den
jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine
erfindungsgemäße Volumenmessvorrichtung
zur Messung eines Fluidvolumenstroms weist mindestens zwei in einer
Messkammer drehbar gelagerte und miteinander kämmende Verzahnungselemente
auf. Die Messkammer weist für
den Fluidvolumenstrom einen Eingang und einen Ausgang auf. In einem
Kämmbereich
durch ineinandergreifende Zähne
der miteinander kämmenden
Verzahnungselemente wird eine Trennung zwischen dem Eingang und
dem Ausgang gebildet. Ein vom Eingang zum Ausgang transportierter
Fluidvolumenstrom ist in Abhängigkeit
von einer Umdrehungsbewegung von zumindest einem der Verzahnungselemente
aufnehmbar. Wenigstens ein berührungslos arbeitender
Messfühler
zur Bewegungsdetektierung des Verzahnungselementes anhand eines
sich relativ zum Messfühler ändernden
Magnetfeldes ist vorgesehen. Die Volumenmessvorrichtung erzeugt
für eine
weitere Signalauswertung in Abhängigkeit
von ein durch den Messfühler
aufgenommenes Messsignal zumindest ein Cosinus- und ein Sinussignal.
Die
Erzeugung des Cosinus- und des Sinussignals aus einem einzelnen
Signal erlaubt eine verbesserte Genauigkeit bei der Auflösung des
Signals.
Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Messfühler eine Winkeländerung
magnetischer Feldlinien detektiert. Eine Ausführungsform sieht vor, dass
eine dem Messfühler
zugeordnete Magnetfelderzeugungseinrichtung ein diametraler Magnet
ist. Dieser ist vorzugsweise zu einer Achse oder Welle eines Verzahnungselementes
derart angeordnet, dass eine Vorzugsrichtung des diametralen Magnets
zumindest annähernd
senkrecht zu der Welle oder Achse verläuft. Eine weitere Ausgestaltung
sieht vor, dass eine dem Messfühler
zugeordnete Magnetfelderzeugungseinrichtung ein Magnet mit mehr
als zwei Polen ist. Beispielsweise kann dieses ein Ringmagnet sein,
insbesondere ein kunststoffgebundener Magnet, dessen Einbereichsteile über ein Magnetsystem
in einem Spritzwerkzeug mehrpolig ausgerichtet worden ist.
Als
bevorzugt hat sich die Verwendung eines nach dem Giant-Magneto-Resitance-Prinzip
arbeitenden Messfühlers
herausgestellt.
Vorzugsweise
wird eine Auflösung
eines Drehwinkels des Verzahnungselementes unterhalb einer Zahnteilung
des Verzahnungselementes ermöglicht.
Des Weiteren wird vorzugsweise ein Signal-Rauschabstand verbessert.
Insbesondere ermöglicht
der Messfühler
eine Detektierung einer Transportrichtung des Fluidvolumens.
Als
Verzahnungselemente werden vorzugsweise Zahnräder mit einer identischen Verzahnung verwendet.
Die Zahnräder
weisen dabei insbesondere einen identischen Durchmesser auf.
Die
Zahnräder
sind dabei so drehbar gelagert, dass sie durch eine Strömung des
Fluidvolumens angetrieben werden können. Vorzugsweise ist dazu
lediglich ein geringer Druckunterschied zwischen einer Eingangsseite
und einer Ausgangsseite der Volumenmessvorrichtung erforderlich.
Der
Kämmbereich
erstreckt sich beispielsweise über
wenigstens jeweils zwei Zähne
der beiden Verzahnungselemente. Insbesondere sind die beiden Verzahnungselemente
so zueinander ausgerichtet, dass bei einem Kämmen derselbigen miteinander
jeweils in einem Zahngrund zwischen ineinander greifenden Zähnen kein
verbleibendes Volumen resultiert, welches insbesondere zu einem
die Messung verfälschendem
Transport eines Leckvolumens vom Ausgang zum Eingang führen könnte. Vorzugsweise
sind die Verzahnungselemente so angeordnet, dass kein freier Strömungspfad
zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Volumenmessvorrichtung
vorgesehen ist. Ein Transport erfolgt vielmehr vorzugsweise ausschließlich mittels
der festen Messvolumina, welche insbesondere in Zahnlücken eingeschlossen
sind. Ein festes Messvolumen entspricht beispiels weise einem Volumen,
welches von einem Zahn aus einer beim Kämmen gegenüberliegenden und in Eingriff
befindlichen Zahnlücke
verdrängt
wird. Insbesondere entspricht das feste Messvolumen dem von einer
ein Verzahnungselement umgebenden Gehäusewand und dem Verzahnungselement
in einer Zahnlücke
eingeschlossen Volumen abzüglich des
beim Kämmen
im Zahngrund verbleibenden Volumens. Die Gehäusewand ist dabei vorzugsweise so
ausgestaltet, dass sie das Verzahnungselement jeweils stirnseitig
eng abdichtend umgibt. Des Weiteren ist die Gehäusewand vorzugsweise über einen Umfangsbereich,
welcher sich über
wenigstens eine doppelte Zahnteilung erstreckt, eng abdichtend an eine
Hüllkurve
des Verzahnungselementes angelegt.
In
einer Ausgestaltung kann zusätzlich
ein Bypass zwischen Ein- und Ausgang vorgesehen sein. Insbesondere
kann ein schaltbarer Bypass vorgesehen sein. Vorzugsweise wird eine
Messbereichanpassung bzw. Erweiterung mittels eines Bypasses ermöglicht.
Der
Eingang und/oder der Ausgang der Volumenmessvorrichtung sind insbesondere
so angeordnet, dass diese nicht direkt auf den Überlappungsbereich gerichtet
sind. Beispielsweise ist eine Zustrom- bzw. Abstromrichtung zumindest
in etwa parallel zu einer Drehachse eines Verzahnungselementes angeordnet.
In einer Variante können
Zustrom- und/oder
Abstromrichtung genau auf den Kämmbereich
gerichtet sein, wobei sie insbesondere senkrecht zu der Drehachse
eines Verzahnungselementes angeordnet sind.
Als
Messfühler,
welcher nach dem Giant-Magneto-Resistance-Prinzip, im folgenden
als GMR-Prinzip bezeichnet, arbeitet, wird beispielsweise ein Schichtsystem
aus ferromagnetischen und nicht-magnetischen Metallen verwendet.
Ein derartiges Schichtsystem ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 694 39 964 T2 und
den darin enthaltenen Referenzen beschrieben, auf welche hiermit
im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird. An Stelle einer mehrlagigen
Schichtstruktur kann auch eine granulare Legierung verwendet werden,
in der magnetische Ausscheidungen in einer nicht magnetischen Matrix eingebettet
sind. Eine derartige Legierung wird beispielsweise in der
DE 698 20 524 T2 beschrieben, auf
die im Rahmen der Offenbarung verwiesen wird. Bei einem nach dem
GMR-Prinzip arbeitenden Messfühler
wird beispielsweise ein in einer Schichtebene des Sensors fließender Strom
eingespeist, und eine Widerstandsänderung detektiert, welche
durch Änderung
einer in Schichtebene aufgerichteten Magnetfeldkomponente verändern wird.
Bei Feldstärken in
der Größenordnung
von etwa 10
–2 Tesla
erhält
man beispielsweise Widerstandsänderungen
von etwa 50% bei Raumtemperatur.
Als
GMR-Messfühler
wird beispielsweise ein Feldsensor KMZ 20 S der Firma HL-Planartechnik GmbH
verwendet. In einer anderen Variante kann auch ein Sensor KMI 15
der Firma Philipps verwendet werden.
Zur
Veränderung
des in Abhängigkeit
vom transportierten Fluidvolumenstromes variierbaren Magnetfeldes
sind verschiedene Varianten vorgesehen, in denen wenigstens eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung oder wenigstens eine Magnetfeldänderungseinrichtung
und der Messfühler
relativ zueinander bewegbar sind. In einer ersten Variante ist vorgesehen,
dass wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung relativ zum
Messfühler
bewegbar ist. Eine Magnetfelderzeugungseinrichtung ist beispielsweise
ein Permanentmagnet oder Elektromagnet. In einer weiteren Variante
ist vorgesehen, dass wenigstens eine Magnetfeldänderungseinrichtung relativ
zum Messfühler
bewegbar ist. Eine Magnetfeldänderungseinrichtung
weist beispielsweise wenigstens ein Element aus einem magnetisierbaren Material
auf. Insbesondere weist eine Magnetfeldänderungseinrichtung wenigstens
ein Element aus einem ferromagnetischen Material auf.
Gemäß einer
Weiterbildung ist wenigstens eine ortsfeste Magnetfelderzeugungseinrichtung
vorgesehen, deren Magnetfeld wenigstens eines der Verzahnungselemente
am Ort des Messfühlers
veränderbar
ist. Beispielsweise ist die ortsfeste Magnetfelderzeugungseinrichtung
ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet. Ortsfest ist insbesondere
so zu verstehen, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung in einer
fixierten Lage in Bezug auf Drehachsen der Verzahnungselemente angeordnet
ist. Die ortsfeste Magnetfelderzeugungseinrichtung ist dabei insbesondere
so ausgerichtet, dass eine Magnetfeldkomponente in einer Schichtebene
des Messfühlers liegt.
In einer Variante können
die Magnetfelderzeugungseinrichtung und der Messfühler auch
vertauscht werden. D.h. die Magnetfelderzeugungseinrichtung ist
ortsfest und der Messfühler
ist beispielsweise drehfest in oder an einem Zahnrad befestigt.
Gemäß einer
Ausgestaltung ist wenigstens eine drehfest mit wenigstens einem
der Verzahnungselemente verbundene Magnetfelderzeugungseinrichtung
oder Magnetfeldänderungseinrichtung vorgesehen.
Eine drehfeste Verbindung kann dabei sowohl mittelbar als auch unmittelbar
vorgesehen sein. Beispielsweise ist die drehfeste Verbindung eine
mechanische Verbindung. In einer anderen Variante kann anstelle
einer mechanischen Verbindung auch eine Magnetkupplung verwendet
werden.
Beispielsweise
ist vorgesehen, dass wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung
oder Magnetfeldänderungseinrichtung
in wenigstens eines der Verzahnungselemente eingebettet ist. Insbesondere
ist die Magnetfeldänderungseinrichtung bzw.
die Magnetfel derzeugungseinrichtung vom Fluidvolumen abgeschottet.
Vorzugsweise ermöglicht dies
eine verminderte Korrosion, welche beispielsweise bei Volumenmessungen
an aggressiven Fluiden auftreten kann. Vorzugsweise erfolgt keinerlei Degradation
einer Magnetfeldstärke
der Magnetfelderzeugungseinrichtung.
In
einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung
oder Magnetfeldänderungseinrichtung
in einem Hohlraum einer Welle eines Verzahnungselementes angeordnet,
welcher hermetisch vom Fluidvolumen getrennt ist. Beispielsweise
kann als Hohlraum eine Bohrung vorgesehen sein, welche nach Einsetzen
der Magnetfelderzeugungseinrichtung oder der Magnetfeldänderungseinrichtung
mit einem Stopfen wieder verschlossen wird. Vorzugsweise wird der
Stopfen per Elektronenschweißung
mit der Welle stopfschlüssig dichtend
verbunden. In einer anderen Variante kann auch vorgesehen sein,
dass der Stopfen Teil eines Zahnrades ist. Beispielsweise ist der
Stopfen becherförmig
ausgestaltet und an einer Stirnseite eines Zahnrades einsetzbar.
Neben einer Elektronenverschweißung
kann auch eine Verklebung oder eine mechanische Verbindung wie beispielsweise
eine Verschraubung vorgesehen sein.
Als
Magnetfelderzeugungseinrichtung wird vorzugsweise wiederum wenigstens
ein Permanentmagnet oder wenigstens ein Elektromagnet verwendet.
Als Magnetfeldänderungseinrichtung
wird beispielsweise wenigstens ein exzentrisch zu einer Zahnradachse
angeordnetes weichmagnetisches Bauteil verwendet. Beispielsweise
ist eine Zahnradachse oder ein Verzahnungselement magnetisch inhomogen,
d.h. Bereiche verschiedener magnetischer Suszeptibilität aufweisend,
ausgestaltet. Eine magnetische Inhomogenität ist dabei insbesondere nicht rotationssymmetrisch
um die Zahnradachse ausgestaltet. Insbesondere können mehrere Magnetfelderzeugungseinrichtungen
und/oder Magnetfeldänderungseinrichtungen
verwendet werden.
Gemäß einer
Weiterbildung wird ein Magnet aus anisotropem Material hergestellt,
insbesondere gepresst, beispielsweise als gesinterter Magnet, oder verspritzt,
beispielsweise als kunststoffgebundener Magnet, um eine gewünschte Ausrichtung
der Pole einzustellen. Der Magnet ist vorzugsweise beschichtet.
Gemäß einer
Ausgestaltung weist der Magnet eine metallische Beschichtung auf.
Diese ist vorzugsweise aufgalvanisiert. Bevorzugt ist eine Verwendung
einer Mehrfachbeschichtung, insbesondere um damit einen direkten
Kontakt des Magnetmaterials mit einem Fluid zu vermeiden, dass durch
die Volumenmessvorrichtung strömt.
Vorzugsweise werden Magnete mit einer galvanisch aufgebrachten Mehrfachbeschichtung
eingesetzt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Material
des Magneten mit zumindest einer organischen Beschichtung versehen
ist. Insbesondere wird derartiges bei Einsatz mit korrosiven Fluiden
vorgesehen. Eine derarti ge Beschichtung kann mittels beispielsweise
kathodischer Tauchlackierung aufgetragen werden. Auch können mehrere
Lackschichten aufgetragen werden. Auch besteht die Möglichkeit,
eine metallische Grundbeschichtung vorzusehen, auf die anschließend eine
organische Beschichtung aufgetragen wird. Bei besonders korrosiven
Fluiden wie auch bei hohen Temperaturen oder zum Zwecke der Chemikalienbeständigkeit
wird bevorzugt eine Teflonbeschichtung eingesetzt. Bei Einsatz in
anderen Anlagen, zum Beispiel in lebensmitteltechnischen Anlagen,
wird beispielsweise eine Beschichtung auf Basis von Parylene aufgetragen.
Eine Beschichtung ermöglicht
den Einsatz des Magneten so, dass dieser mit dem Fluid in Kontakt
treten kann, ohne dass es bei längerem
Kontakt zu einer Beeinträchtigung
des magnetischen Materials kommt. Beispielsweise kann der Magnet
plan mit einer Oberfläche
des Gehäuses, einer
Welle oder Achse des Verzahnungselementes und/oder des Verzahnungselementes
selbst abschließen.
Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Messfühler zumindest zu einem Messzeitpunkt
jeweils einem Nordpol und wenigstens einem Südpol gegenüber liegen. Dazu ist beispielsweise
ein Magnet dem Messfühler
gegenüber
liegend angeordnet, welcher zwei im Wesentlichen in Richtung des Messfühlers ausgerichtete
Polflächen
aufweist. Der Magnet ist dabei beispielsweise gemäß einer
der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen in einer Welle eines
Verzahnungselementes oder in einem Verzahnungselement oder drehfest
mit einem Verzahnungselement verbunden vorgesehen.
Hinsichtlich
einer Ausrichtung des Messfühlers
ist vorgesehen, dass eine Messebene des Messfühlers in einer ersten Ausgestaltung
zumindest in etwa parallel zu einer Stirnfläche eines der Verzahnungselemente
ausgerichtet ist. Insbesondere ist ein Magnetfeld am Ort des Messfühlers im
Wesentlichen parallel zur Messebene ausgerichtet. Vorzugsweise ist
der Messfühler
kollinear zu einer Drehachse eines Verzahnungselementes angeordnet.
In einer anderen Variante kann vorgesehen sein, dass die Messebene
des Messfühlers
schief zur Stirnfläche
eines der Verzahnungselemente ausgerichtete ist. Ein Verkippungswinkel
liegt dabei vorzugsweise unterhalb von 45°. Insbesondere beträgt der Verkippungswinkel
in etwa 10 bis 30°.
Es kann sowohl eine Verkippung in einer einzigen Raumrichtung vorgesehen
sein als auch eine Verkippung in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen.
Vorzugsweise ermöglicht
eine Verkippung eine magnetische Vorspannung des Messfühlers. Insbesondere
wird der Messfühler
von einer Magnetfeldkomponente senkrecht zur Messebene durchsetzt.
Der
Messfühler
ist gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ein Drehsensor.
Insbesondere
kann jedem Verzahnungselement wenigstens ein Messfühler zugeordnet
sein.
In
einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verzahnungselemente
in einem Gehäuse
angeordnet sind, wobei eine druckfeste Trennwand zwischen der Messkammer
und dem Messfühler
angeordnet ist. Beispielsweise ist die Trennwand so druckfest ausgestaltet,
dass bei einem jeweiligen Betriebs- bzw. Spitzendruck in der Messkammer
keine Kraftübertragung
auf den Messfühler
vorliegt. Ein Betriebs- bzw. Spitzendruck beträgt beispielsweise bis zu 1000
bar. Es können
jedoch auch geringere oder größere Drücke vorgesehen
sein. Vorzugsweise ermöglicht
der GMR-Sensor einen Abtastabstand, mit welchem eine entsprechende
Dimensionierung der Trennwand für
eine Druckfestigkeit für
noch höhere Fluiddrücke vorgesehen
werden kann. Vorteilhafterweise ist der Messfühler außerhalb der Messkammer hermetisch
vom Fluidvolumen abgetrennt angeordnet.
Gemäß einer
Weiterbildung ist die Trennwand amagnetisch. Beispielsweise ist
die Trennwand aus einem nicht-magnetischen Edelstahl. In anderen Ausgestaltungen
kann die Trennwand jedoch auch aus einem Kunststoffmaterial oder
aus Aluminium sein. Zur Vermeidung einer Korrosion ist insbesondere
eine korrosionshemmende Beschichtung vorgesehen.
Zusätzlich oder
alternativ kann vorgesehen sein, dass zumindest die Verzahnungselemente,
die Achsen der Verzahnungselemente und das Gehäuse jeweils ein amagnetisches
Material aufweisen. Vorzugsweise wird dadurch eine Magnetfeldveränderung
infolge beispielsweise bewegter Achsen oder bewegter Verzahnungselemente
aus einem magnetisierbaren Material vermindert bzw. vermieden. Als amagnetisches
Material wird beispielsweise nichtmagnetischer Stahl, insbesondere
Edelstahl, Keramik und/oder Kunststoff verwendet. Eine Weiterbildung sieht
vor, dass die Volumenmessvorrichtung zumindest annähernd, vorzugsweise
vollständig
aus amagnetischem Material oder Materialien besteht.
Gemäß einer
Weiterbildung sind zumindest die Verzahnungselemente und der Messfühler zumindest
teilweise von einer magnetischen Abschirmung umgeben. Die magnetische
Abschirmung weist beispielsweise ein weichmagnetisches Material,
insbesondere Mu-Metall
auf. Vorzugsweise ermöglicht
die magnetische Abschirmung zumindest eine Verminderung magnetischer
Störeinflüsse beispielsweise
durch Elektromotoren oder dergleichen.
Zur
Auswertung der Messsignale ist gemäß einer Ausgestaltung wenigstens
eine Auswertungseinheit vorgesehen, mit der aus einem insbesondere periodischen
Messsignal des Messfühlers
eine Abfolge ansteigender oder abfallender Triggerflanken, insbesondere
Rechteckimpulse erzeugbar ist, wobei einer vollen Umdrehung wenigstens
eines der Verzahnungselemente eine vorbestimmte Anzahl von äquidistanten
ansteigenden oder abfallenden Triggerflanken, insbesondere Rechteckimpulsen,
zuordbar ist. Das Messsignal des Messfühlers ist beispielsweise bei
einer vollen Umdrehung ein sinus – bzw. cosinusförmiges Signal
mit wenigstens einer Periode, vorzugsweise zwei Perioden. Vorzugsweise
wird ein Sinus- und ein Cosinussignal erzeugt. Zur Erzeugung der
abfallenden oder ansteigenden Triggerflanken ist beispielsweise
ein Amplitudendiskriminator vorgesehen. Beispielsweise können kontinuierlich
ansteigende Flanken und abrupt abfallende Flanken erzeugt werden.
Es können
jedoch auch abrupt ansteigende und kontinuierlich abfallende Flanken
erzeugt werden. Insbesondere können
auch abrupt ansteigende und abrupt abfallende Flanken erzeugt werden,
wobei insbesondere Rechteckimpulse erzeugbar sind. Des Weiteren
können
die ansteigenden oder abfallenden Flanken auch mittels einzelner
Impulse erzeugt werden. Vorzugsweise kann jeder ansteigenden oder
abfallenden Triggerflanke genau ein vorbestimmter Drehwinkel zugeordnet
werden. Insbesondere entspricht ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten
ansteigenden oder abfallenden Triggerflanken genau einem Winkel Δω.
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Messen eines Fluidvolumenstromes
mittels einer Volumenmessvorrichtung, insbesondere mittels einer
oben beschriebenen Volumenmessvorrichtung, wobei wenigstens zwei
drehbar gelagerte und miteinander kämmende Verzahnungselemente
gegeneinander rotiert werden und in einem Kämmbereich ineinandergreifende
Zähne der
miteinander kämmenden
Verzahnungselemente ein Eingang von einem Ausgang abgetrennt wird,
wobei eine relative Winkeländerung
einer Magnetfeldkomponente über
einen Messfühler
als Messsignal aufgenommen und daraus der Fluidvolumenstrom ermittelt
wird.
Beispielsweise
wird eine Magnetfeldkomponente zumindest in einer Messebene eines
nach dem Giant-Magneto-Resistance-Prinzip arbeitenden Messfühlers verändert und
anhand eines dadurch veränderten
Messsignales des Messfühlers
das transportierte Volumen ermittelt.
Eine
Weiterbildung sieht vor, dass bei einer Umdrehung wenigstens eines
der Verzahnungselemente wenigstens ein sinus- und ein cosinusförmiges Signal
erzeugt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei einer einzelnen
Umdrehung eines der Verzahnungselemente zumindest jeweils zwei cosinus-
und sinusförmige
Perioden gemessen werden. In einer Ausgestaltung wird bei einer
Bewegung wenigstens eines der Verzahnungselemente wenigstens ein
sinus- und ein cosinusförmiges
Signal erzeugt. Diese sind insbesondere an separaten Messausgängen abgreifbar.
Vorzugsweise
wird wenigstens ein festes Messvolumen, welches zumindest zu einem
Messzeitpunkt in wenigstens einem Zahnzwischenraum zwischen benachbarten
Zähnen
eines Verzahnungselementes und einer Gehäusewand eingeschlossen wird,
vom Eingang zum Ausgang transportiert Die Messebene ist insbesondere
die Ebene, in der die GMR-Schichten angeordnet sind. Vorzugsweise weist
das Magnetfeld auch eine Komponente senkrecht zur Messebene auf.
Vorzugsweise wird das Messsignal periodisch mit einer Umdrehung
variiert. Dabei ist insbesondere ein mehrfache ganzzahlige Periodizität vorgesehen.
In
einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Magnetfeldkomponente
mittels eines synchron mit wenigstens einem der Verzahnungselemente
drehenden Magnetfelds verändert
wird. Das drehende Magnetfeld wird dabei beispielsweise mittels
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, insbesondere eines Permanent-
oder eines Elektromagneten erzeugt.
In
einer weiteren Ausgestaltung wird die Magnetfeldkomponente verändert, indem
magnetische Feldlinien eines ortsfesten Magneten mittels wenigstens
eines der Verzahnungselemente abgelenkt werden. Vorzugsweise weist
das Verzahnungselement zumindest in einem Teilbereich ein magnetisches Material
auf. Insbesondere ist das magnetische Material weichmagnetisch.
Gemäß einer
Weiterbildung weist das Messsignal bei einer Umdrehung wenigstens
eines der Verzahnungselemente eine eineindeutige Zuordnung von dessen
Position zum Messsignal auf. Diese Zuordnung kann aus dem Nordpol
und dem Südpol
und deren zugeordneten Magnetflusslinien gewonnen werden. Auch besteht
die Möglichkeit,
zwei Magnete zu verwenden. Beispielsweise sind dem Messfühler gegenüber liegend
jeweils zwei magnetische Nordpole und zwei magnetische Südpole angeordnet. Diese
sind insbesondere so angeordnet, dass diese mit einem Verzahnungselement
synchron mitdrehen.
Vorzugsweise
zur Digitalisierung des Messsignales ist vorgesehen, dass aus dem
Messsignal eine Abfolge Impulse erzeugt wird. Beispielsweise ist vorgesehen,
dass aus dem Messsignal die sinus- und cosinusförmigen Signale und daraus eine
Abfolge von Triggersignalen erzeugt wird. Eine Ausgestaltung sieht
vor, dass bei einer vollen Umdrehung wenigstens eines der Verzahnungselemente
eine vorbestimmte Anzahl von, bezogen auf die volle Umdrehung, von äquidistanten,
ansteigenden oder abfallenden Triggerflanken, insbesondere Rechteckimpulsen,
zugeordnet wird. Beispielsweise wird das Messsignal mittels eines
Amplitudendiskriminators analysiert und eine entsprechende Zuordnung
vorgenommen. Beispielsweise erfolgt dies anhand eines Vergleiches
mit einer Kalibrier- bzw. Sollkurve. Diese kann beispielsweise berechnet
oder vorzugsweise vorab gemessen werden. Insbesondere entspricht ein äquidistanter
Abstand zwischen aufeinander folgenden jeweils ansteigenden oder
abfallenden Triggerflanken einer vorgegebenen Winkelinkrementierung.
In
einer Variante ist vorgesehen, dass pro voller Umdrehung wenigstens
32, bevorzugt wenigstens 64 und insbesondere wenigstens 128 ansteigende
oder abfallende Triggerflanken, insbesondere Rechteckimpulse erzeugt
werden. Vorzugsweise übersteigt
die Anzahl der Impulse pro volle Umdrehung die Anzahl der Zähne pro
Zahnrad um wenigstens den Faktor 2.
Gemäß einer
Weiterbildung wird anhand des Messsignals wenigstens eines Messfühlers eine Drehrichtung
wenigstens eines Verzahnungselementes ermittelt. Beispielsweise
kann die Drehrichtung ermittelt werden, indem ein sinusförmiges und
ein cosinusförmiges
Signal des Messfühlers
ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich können auch verschiedene Signale
verschiedener Messfühler
ausgewertet werden.
Schließlich betrifft
die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln,
welche auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert werden,
um ein Verfahren insbesondere gemäß einer der vorstehend beschriebenen
Ausgestaltungen auszuführen,
wenn ein die Programmcodemittel umfassendes Programm auf einem Computer
aufgeführt
wird. Ein computerlesbares Speichermedium ist beispielsweise ein
magnetisches, magneto-optisches, optisches, elektronisches oder
magneto-elektronisches
Speichermedium. Des Weiteren kann beispielsweise ein Fernspeicher,
insbesondere in einem Computernetzwerk vorgesehen sein. Vorzugsweise
ist das Speichermedium ein Speicherchip eines Mikrocontrollers.
Eine derartige Anwendung ist vorteilhaft, wenn die Volumenmessvorrichtung
in Anlagen, insbesondere chemischen Anlagen betrieben wird, die über eine
entsprechende Signalübertragung vertilgen,
um die aufgenommenen Messsignale in einer Fernwarte zumindest darzustellen,
insbesondere aber auch dort oder davor auszuwerten.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen beispielhaft
erläutert.
Die dort dargestellten Merkmalskombinationen sind jedoch nicht beschränkend aus zulegen.
Vielmehr sind jeweils in der Beschreibung einschließlich der
Figurenbeschreibung sowie in der Zeichnung enthaltene Merkmale zu
Weiterbildungen miteinander kombinierbar. Es zeigen:
1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung,
2 einen
schematischen Längsschnitt
einer zweiten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung,
3 eine
schematische Detailansicht eines Längsschnittes einer dritten
Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung,
4 eine
schematische Detailansicht der dritten Ausgestaltung,
5 einen
schematischen Längsschnitt
einer vierten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung,
6 eine
schematische Detailansicht der vierten Ausgestaltung in einer Abwandlung,
und
7 einen
Verlauf eines Messsignals.
1 zeigt
eine Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung 1.
In einem Gehäuse 2 sind
ein erstes Zahnrad 3 und ein zweites Zahnrad 4 mit
einer ersten Welle 5 und einer zweiten Welle 6 drehbar
gelagert. Die Zahnräder 3, 4 sind
dabei so angeordnet, dass diese in einem Kämmbereich 7 miteinander
kämmen.
Des Weiteren sind die Zahnräder 3; 4 in
einer Messkammer 8 so angeordnet, dass kein direkter Strompfad
von einem Zulauf 9 zu einem Ablauf 10 vorgesehen
ist. Ein Transport eines schematisch dargestellten Fluids 11 erfolgt
ausschließlich über beim
Kämmen
gebildete Taschen 12 in einem jeweiligen Zahnzwischenraum 13 der
Zahnräder 3, 4.
Die Taschen 12 sind dabei von einer Wand 8.1 der
Messkammer 8 sowie nicht dargestellten Stirnwänden der
Messkammer 8 und dem ersten Zahnrad 3 bzw. dem
zweiten Zahnrad 4 begrenzt. Die zweite Welle 6 ist
mit einem nicht im Einzelnen dargestellten Magneten versehen. Einer
Stirnfläche 14 des
zweiten Zahnrades 4 gegenüberliegend ist ein Messfühler 15 angeordnet.
In einer nicht dargestellten Variante kann zusätzlich ein Bypass zwischen Zulauf 9 und
Ablauf 10 vorgesehen sein.
Daneben
weist die Volumenmessvorrichtung 1 eine Auswertungseinheit 16 auf,
welche an einer Oberseite 17 des Gehäuses 2 angeordnet
ist. Diese Auswertungseinheit umfasst eine nicht im Einzelnen dargestellte
Mikrocontroller-Einheit.
Im
Folgenden werden gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
2 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
einer zweiten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung 1.
Diese entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten
ersten Ausgestaltung. Der Schnitt ist dabei so gelegt, dass die
Schnittebene eine erste Welle 5 und eine zweite Welle 6 eines
ersten Zahnrades 3 und eines zweiten Zahnrades 4 längs schneidet.
Die Wellen 5, 6 und somit die Zahnräder 3, 4 sind
jeweils mittels Wälzlagern 18 drehbar in
einem Gehäuse 2 gelagert.
Das zweite Zahnrad 4 ist mit einem Magneten 19 versehen,
welcher in einer Bohrung 20 in der zweiten Welle 6 aufgenommen
ist. Zur hermetischen Kapselung ist ein mittels einer Verschweißung aufgebrachter
Deckel 21 vorgesehen. Anstelle einer Verschweißung kann
beispielsweise auch eine Verklebung vorgesehen sein.
Gegenüber einer
Stirnseite 22 des Magneten 19 ist ein Messfühler 15 angeordnet.
Bei diesem Messfühler
handelt es sich um einen Drehsensor, welcher nach dem GMR-Prinzip
arbeitet. Zwischen dem Messfühler 15 und
der Stirnseite 22 des Magneten 19 ist eine druckfeste
Trennwand 23 vorgesehen. Die druckfeste Trennwand 23 ist
dabei so bemessen, dass ein vorgegebener Abtastabstand 24 genau
eingehalten wird. Aufgrund der Druckfestigkeit der Trennwand 23 wird
dieser vorgegebene Abtastabstand 24 nicht variiert.
Der
Magnet 19 ist, nicht im Einzelnen dargestellt, so ausgestaltet,
dass er an seiner Stirnseite 22 einen Nordpol und einen
Südpol
aufweist. Diese sind vorzugsweise in Halbkreisen an der Stirnseite 22 des Magneten 19 angeordnet.
In einer nicht dargestellten Ausgestaltung können auch zwei Nordpole und
zwei Südpole
vorgesehen sein, welche jeweils in Quadranten angeordnet sind.
3 zeigt
eine schematische Detailansicht eines Längsschnittes einer dritten
Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung 1. Diese entspricht
im Wesentlichen der in 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung,
wobei jedoch im Unterschied dazu eine Messebene 25 eines
Messfühlers 15 um
einen Winkel α gegenüber einer
Stirnseite 22 eines Magneten 19 verkippt ist.
Zur besseren Übersicht
sind sowohl die in der 2 gezeigte zweite Welle als
auch das zweite Zahnrad nicht dargestellt. Ein nicht dargestelltes
Magnetfeld am Ort des Messfühlers 15 weist
sowohl eine parallel zur Messebene 25 ausgerichtete Komponente
als auch eine senkrecht dazu ausgerichtete Komponente auf. Insbesondere
ermöglicht dies
eine magnetische Vorspannung des Messfühlers 15. Unter einem
Abtastabstand 24 ist der kürzeste senkrechte Abstand zur
Stirnseite des Magneten 19 zu verstehen.
4 zeigt
eine schematische Detailansicht der zweiten Ausgestaltung einer
Volumenmessvorrichtung.
Zur
besseren Übersicht
sind sowohl die in der 2 gezeigte zweite Welle als
auch das zweite Zahnrad nicht dargestellt. Des Weiteren ist der
Magnet 19 dargestellt, welcher in einem ersten Halbkreis 26 der
Stirnfläche 22 einen
Südpol 27 und
in einem zweiten Halbkreis 28 einen Nordpol 29 aufweist.
Ein schematisch dargestelltes Magnetfeld 30 ist dabei so ausgestaltet,
dass es eine zu einer Messebene 25 parallele Komponente 31 aufweist.
Bei einer Rotation der nicht dargestellten zweiten Welle rotiert
folglich die parallele Komponente 31 des Magnetfeldes 30 in der
Messebene 25. Ein nicht dargestelltes Messsignal zeigt
bei einer vollen Umdrehung der nicht dargestellten zweiten Achse
eine zweifache Periodizität. Das
Messsignal umfasst dabei vorzugsweise ein Sinus- und ein Cosinussignal.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, lediglich ein Sinus- oder ein
Cosinussignal bereitzustellen.
In
einer nicht dargestellten Variante können jeweils mehrere, insbesondere
jeweils zwei, Nordpole und Südpole
verwendet werden. Beispielsweise kann der Magnet 19 auch
in einem der Zahnräder
angebracht sein. Vorzugsweise werden mehrere Magnete in den Zahnrädern angeordnet.
Zur Bereitstellung mehrerer Nord- und Südpole kann beispielsweise wenigstens
ein Ringmagnet verwendet werden. Vorzugsweise ermöglicht die
Verwendung mehrerer Nord- und Südpole
eine Erhöhung
der Zählimpulsanzahl
pro Umdrehung gegenüber
einer Ausgestaltung mit nur jeweils einem Nord- bzw. Südpol.
5 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
einer vierten Ausgestaltung einer Volumenmessvorrichtung 1.
Im Unterschied zu den vorstehend dargestellten Ausgestaltungen weist
diese anstelle von Wellen eine erste Achse 5.1 und eine
zweite Achse 6.1 sowie ein Sonderzahnrad 32 auf.
Dieses weist an einer Stirnfläche 14 einen
becherförmigen Magnethalter 33 auf.
Dieser ist in ein Sonderzahnrad 32 eingeschraubt, eingeklebt,
eingeschweißt
oder dergleichen. In dem Magnethalter 33 ist ein Magnet 19 eingesetzt,
welcher an einer Stirnseite 22 jeweils zwei Nordpole und
zwei Südpole
aufweist. Die Achsen 5.1, 6.1 sind jeweils drehfest
mit einem Gehäuse 2 verbunden.
Ein erstes Zahnrad 3 und das Sonderzahnrad 32 sind
jeweils mittels eines Wälzlagers 18 drehbar
an den Achsen 5.1, 6.1 gelagert.
6 zeigt
eine schematische Detailansicht der vierten Ausgestaltung in einer
Abwandlung. Die Detailansicht entspricht im Wesentlichen der in 4 gezeigten
schematischen Detailansicht der zweiten Ausgestaltung. Im Unterschied
dazu ist jedoch kein Magnet vorgesehen, sondern ein Magnetfeldveränderungselement 34,
welches halbkreisweise alter nierend ein magnetisierbares Material 35 und
ein amagnetisches Material 36 aufweist. Das magnetisierbare Material 35 ist
dabei ein weichmagnetisches Material. Bei einer Drehung der Magnetfeldveränderungsvorrichtung 34 wird
ein von nicht dargestellten Magneten erzeugtes Magnetfeld 30 mit
einer Umdrehung periodisch verändert.
Durch das magnetisierbare Material 35 wird jeweils ein
Teil des Magnetfeldes magnetisch kurzgeschlossen. Bei der Drehbewegung
wird eine parallel zu einer Messebene 25 eines Messfühlers 15 ausgerichtete
Magnetfeldkomponente verändert.
Aufgrund des jeweils in zwei Halbkreisen alternierend angeordneten
magnetisierbaren Materials 35 und des amagnetischen Materials 36 wird
bei einer vollen Umdrehung einer nicht dargestellten zweiten Achse
eines ebenfalls nicht dargestellten zweiten Zahnrades ein Signal
mit einer zweifachen Periodizität
erzeugt. In einer anderen Ausgestaltung kann auch eine quadrantenweise
alternierende Anordnung von magnetisierbarem und amagnetischem Material
vorgesehen sein. In diesem Fall wird eine vierfache Periodizität erzeugt.
Entsprechend können
auch andere Anordnungen von magnetisierbarem und amagnetischem Material
vorgesehen sein.
7 zeigt
einen Verlauf eines Messsignals 37. Dargestellt ist ein
erstes Messsignal 38 und ein zweites Messsignal 39 eines
Drehsensors. Das Signal ist dabei mit einer Anordnung gemäß beispielsweise
der zweiten Ausgestaltung aufgenommen. Das erste Messsignal 38 ist
dabei ein Sinus-Signal und das zweite Messsignal 39 ist
dabei ein Cosinus-Signal.
Auf der Abszisse ist ein Drehwinkel ω dargestellt, welcher einem
Drehwinkel beispielsweise des zweiten Zahnrades in 2 entspricht.
Das erste Messsignal 38 und das zweite Messsignal 39 sind
dabei für annähernd eine
etwa eine halbe Umdrehung dargestellt. Bei einer vollen Umdrehung
weisen die beiden Messsignale 38; 39 genau zwei
Perioden auf. Zur Digitalisierung des Messsignals wird mittels einer
Auswertungseinheit aus dem ersten Messsignal 38 eine in
Bezug auf den Drehwinkel ω äquidistante
Abfolge ansteigender Triggerflanken 40 bzw. abfallender
Triggerflanken 41 erzeugt. Diese Triggerflanken 40; 41 werden
anhand eines Vergleichs des ersten Messsignals 38 mit jeweils
vorgegebenen oberen und unteren Schwellwerten bei einer gegebenen
Winkelposition ermittelt. Ansteigende und abfallende Triggerflanken 40; 41 bilden
dabei jeweils einen Rechteckimpuls 42. Jeweils zwei aufeinander
folgende Rechteckimpulse sind insofern äquidistant in Bezug auf den
Drehwinkel ω beabstandet.
Damit kann mittels der Auswerteinheit ein digitalisiertes Volumenmessgerät bereitgestellt
werden. In ähnlicher
Weise wird auf dem zweiten Messsignal 39 ebenfalls eine
Abfolge von Rechteckimpulsen generiert.
Zur
Bestimmung einer Drehrichtung des Verzahnungselementes werden die
jeweiligen Amplituden des ersten Messsignals 38 und des
zweiten Messsignals 39 betrachtet. Auf grund einer vorliegenden
Phasenverschiebung der Messsignale 38; 39 kann
auf die Drehrichtung geschlossen werden.
Die
Volumenmessvorrichtung bzw. das vorgeschlagene Verfahren werden
vorzugsweise in chemischen Anlagen, in lebensmitteltechnischen Anlagen,
in Lackieranlagen wie auch in Anlagen zur Bereitstellung von genau
zu dosierenden Ausgangsprodukten eingesetzt. Auch kann die Volumenmessvorrichtung
bzw. das Verfahren nicht nur dort eingesetzt werden, wo ein Fluid
abgegeben wird, sondern auch dort, wo ein Fluid aufgenommen wird,
zum Beispiel bei der Befüllung
eines Fluidspeichers. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Abrechnungseinheit
für eine
finanzielle Abrechnung des Fluidvolumenstrome direkt mit der Volumenmessvorrichtung
gekoppelt ist. So kann beispielsweise eine Gutschrift, eine Lastschrift
wie auch eine entsprechende Buchung beispielsweise direkt verlinkt über die
Volumenmessvorrichtung ausgelöst
werden. Weiterhin kann die Volumenmessvorrichtung in Bereichen eingesetzt
werden, bei denen das zu messende Fluid Temperaturen zwischen 150°C bis 290° aufweist.
Auch bei abgekühlten
Fluiden in Temperaturbereichen von weniger als –10° C kann die Volumenmessvorrichtung
eingesetzt werden.