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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Durchflussmesser ist aus der
DE 195 13 781 A1 bekannt. Er enthält zwei induktive Sensorelemente, die in einem Gehäuse benachbart zum Gewinde einer durch die Strömung eines Mediums angetriebenen Schraubenspindel angeordnet sind und bei einer Drehung der Schraubenspindel durch das Vorbeistreichen des Gewindes jeweils eine Folge von Impulsen abgeben, durch deren Zählung der Drehwinkel der Schraubenspindel und dadurch indirekt die durchgeströmte Menge des Mediums gemessen werden kann. Da durch diese Art der Sensorik die Durchflussmenge nur in vorbestimmten Inkrementen erfasst wird, ist die Messgenauigkeit von vornherein begrenzt. Die insgesamt gemessene Durchflussmenge ist stets mit einer Unsicherheit in Höhe der einem Sensorimpuls entsprechenden Durchflussmenge behaftet.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung ist die Anordnung der Sensorelemente in Bohrungen, die radial auf die Achse der Schraubenspindel in den durchströmten Innenraum des Gehäuses des Durchflussmessers führen. Solche Bohrungen müssen entweder an ihrem inneren Ende durch das darin angeordnete Sensorelement bündig mit der Innenoberfläche des Gehäuses abgeschlossen werden oder zumindest in ihrem Durchmesser an die Form der benachbart zum inneren Ende umlaufenden Schraubenspindel angepasst werden, um eine Störung der Strömung in dem Gehäuse zu vermeiden. In jedem Fall verursachen solche Bohrungen einen gewissen fertigungstechnischen Aufwand und stellen potentielle Schwachstellen in Bezug auf die Dichtigkeit des Gehäuses dar.
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Bei einem anderen, aus der
WO 97/16706 A1 bekannten Durchflussmesser auf der Basis von Schraubenspindeln ist der Lagerzapfen einer der Schraubenspindeln in axialer Richtung verlängert und es ist eine Drehwinkelsensorik an dieser Verlängerung des Lagerzapfens angeordnet. Nachteilig ist an dieser Lösung die zur Unterbringung der Sensorik notwendige Verlängerung des Gehäuses, die zu einer insgesamt größeren Bauform des Durchflussmessers führt. Ferner liefert die in der genannten Schrift vorgesehene Sensorik ebenfalls eine Folge von Impulsen als Maß für die Durchflussmenge und hat dementsprechend nur eine begrenzte Messgenauigkeit. Die Anbringung einer mehrere Permanentmagnete tragenden Scheibe am Ende des verlängerten Lagerzapfens als Bestandteil der Sensorik erhöht die Komplexität des gesamten Aufbaus und damit den Herstellungsaufwand.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Durchflussmesser zu schaffen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist, eine kompakte Bauform aufweist und eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Durchflussmesser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Durchflussmesser wird eine aus ferromagnetischem Material bestehende Schraubenspindel dazu benutzt, einen Teil eines durch einen Magneten erzeugten Magnetfeldes zu einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement zu führen. Zwischen dem Sensorelement und der Schraubenspindel befindet sich eine Trennwand aus zumindest annähernd nichtmagnetischem Material, welche das Sensorelement von dem durch das Gehäuse hindurchgeleiteten Medium trennt.
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Das durch die Schraubenspindel geführte und durch deren Gewindestruktur bei einer Drehung periodisch variierende Magnetfeld durchdringt die Trennwand und kann durch das auf deren anderer Seite angeordnete Sensorelement gemessen werden. Hierdurch erübrigt sich die Anbringung von Bohrungen in dem Gehäuse und ein abgedichteter Einbau des Sensorelements in das Gehäuse oder eine abgedichtete Durchführung von Zuleitungen in das Gehäuse. Der Aufbau des Durchflussmessers ist daher einfach und kostengünstig realisierbar. Eine axiale Verlängerung einer Schraubenspindel ist ebenfalls nicht nötig, da die erfindungsgemäße Sensorik auch radial angeordnet werden kann. Die Schraubenspindel selbst sorgt durch ihre Gewindestruktur bei einer Drehung für eine periodische Variation des auf das Sensorelement einwirkenden Magnetfeldes. Dieses stellt eine analoge Messgröße dar, die mit hoher Genauigkeit durch ein analoges Sensorelement erfasst werden kann. Dabei genügt ein einziger Magnet zur Erzeugung des Magnetfeldes, da eine periodische Variation bereits durch die Gewindestruktur der Schraubenspindel gegeben ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Trennwand durch einen integralen Teil des Gehäuses, welcher die beiden Schraubenspindeln zumindest entlang deren Gewinden in Umfangsrichtung geschlossen umgibt. Dann ist bei der Herstellung kein Arbeitsgang eigens zum Einbau der Trennwand als separate Komponente in das Gehäuse notwendig.
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Obgleich der Magnet, insbesondere ein Permanentmagnet, wahlweise außerhalb oder innerhalb des Gehäuses, beispielsweise am axialen Ende eines Lagerzapfens der ferromagnetischen Schraubenspindel angeordnet werden kann, ist die erstgenannte Anordnung besonders bevorzugt, da in diesem Fall sämtliche Komponenten der Sensorik durch die Trennwand von dem Medium getrennt sind und keinerlei Eingriff in das Innere des Gehäuses erforderlich ist.
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Wenn der Magnet und das magnetfeldempfindliche Sensorelement beide radial benachbart zu dem Gewinde der Schraubenspindel angeordnet werden, dann ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, das Sensorelement und den Magneten zu einer Baueinheit zusammenzufassen. In eine solche Baueinheit kann weiterhin auch eine dem Sensorelement nachgeschaltete Signalverarbeitungselektronik integriert werden. Eine solche Baueinheit bildet in diesem Fall ein von den mechanischen Systemkomponenten des Durchflussmessers separates Modul, das komplett vorgefertigt und als Ganzes von außen an dem Gehäuse befestigt werden kann. Eine solche Baueinheit kann auch einen mit der Signalverarbeitungselektronik verbundenen Temperatursensor enthalten, dessen Signal zur Kompensation des Einflusses der Temperatur auf das Messergebnis verwendbar ist.
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Eine hohe Messgenauigkeit kann mit einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement erzielt werden, das ein von der Stärke des magnetischen Flusses abhängiges Analogsignal abgibt. Es können aber auch mehrere Sensorelemente vorgesehen und in einem Abstand voneinander angeordnet werden, der im Verhältnis zur Steigung der Schraubenspindel so bemessen ist, dass die Signale der Sensorelemente bei einer Drehung der Schraubenspindel ein vorbestimmten Phasenunterschied aufweisen. Durch eine geeignete Verknüpfung der Signale der einzelnen Sensoren lässt sich die Messgenauigkeit in diesem Fall weiter steigern. Bei einer Zusammenfassung aller Komponenten der Sensorik in einem Modul bedeutet die Ausstattung mit mehreren Sensoren nur einen relativ geringen zusätzlichen Aufwand.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Duchflussmessers mit aufgeschnittenem Gehäuse,
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2 eine Längsschnittansicht des Durchflussmessers von 1,
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3 eine schematische Ansicht der Sensorikbaugruppe und der benachbarten Schraubenspindel des Durchflussmessers von 1 ohne Gehäuse und
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4 Ausgangssignale der Sensorelemente eines erfindungsgemäßen Durchflussmessers.
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Wie 1 zeigt, umfasst ein erfindungsgemäßer Durchflussmesser ein geschlossenes Gehäuse 1, das sich aus einem zylindrischen Hauptkörper 2 und zwei Endkappen 3 und 4 zusammensetzt, die im fertigen Zustand fest mit dem Hauptkörper 2 verbunden, vorzugsweise verschweißt sind. In den Endkappen 3 und 4 sind Bohrungen 5 bzw. 6 zur Durchleitung eines flüssigen Mediums durch das Gehäuse 1 vorhanden, die mit Schraubgewinden zum Anschluss von Rohren oder Schläuchen versehen sind. In dem Gehäuse 1 sind zwei zueinander passende Schraubenspindeln 7 und 8 ineinandergreifend angeordnet und in jeweiligen Lagern 9 und 10 bzw. 11 und 12 drehbar gelagert. Bei einer Durchleitung eines flüssigen Mediums durch das Gehäuse 1 werden die Schraubenspindeln 7 und 8 in axialer Richtung durchströmt und dadurch in Drehung versetzt. Der Drehwinkel ist proportional zum durchgeströmten Volumen des Mediums, so dass dieses Volumen über eine Messung des Drehwinkels gemessen werden kann.
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Der Hauptkörper 2 ist außen zylindrisch und innen von zwei einander überlappenden axialen Bohrungen 13 und 14 durchdrungen. Daher ist die Wandstärke des Hauptkörpers 2 dort am geringsten, wo er von der Ebene, in der die Mittelachsen der beiden Bohrungen 13 und 14 und folglich im fertig montierten Zustand auch die Mittelachsen der beiden Schraubenspindeln 7 und 8 liegen, geschnitten wird. Diese Ebene ist die Schnittebene der Längsschnittdarstellung von 2, in der allerdings die Schraubenspindeln 7 und 8 sowie die Lager 9 bis 12 nicht geschnitten dargestellt sind.
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Wie in den 1 und 2 erkennbar ist, befindet sich außen an dem Hauptkörper 2 benachbart zu der Schraubenspindel 7 im Bereich von deren Gewinde eine Baueinheit 15, welche eine Sensorik zur Messung des Drehwinkels der Schraubenspindel 7 enthält. Aus der Baueinheit 15 erstreckt sich ein Kabel 16 zur Verbindung mit einer übergeordneten elektronischen Einheit, beispielsweise im Fall des Einsatzes des Durchflussmessers in einer Zapfsäule einer Tankstelle dem Kassensystem der Tankstelle. Die Baueinheit 15 ist an dem Hauptkörper 2 des Gehäuses 1 befestigt, beispielsweise aufgeklebt. Die Befestigung kann aber auch mittelbar durch eine Befestigung in einem in den Figuren nicht gezeigten Außengehäuse erfolgen, welches das Gehäuse 1 umgibt, und in dem das Gehäuse 1 seinerseits befestigt ist. Wesentlich ist nicht die genaue Art der Befestigung der Baueinheit 15 an dem Gehäuse 1, sondern nur, dass sie einerseits eng benachbart zu dem Gewinde der Schraubenspindel 7 fixiert ist, jedoch andererseits von einem den Innenraum des Gehäuses 1 durchströmenden Medium durch einen als Trennwand 17 fungierenden Abschnitt des Hauptkörpers 2 des Gehäuses 1 getrennt bleibt.
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Die Baueinheit 15 umfasst als Trägersubstrat eine Leiterplatte 18, einen Permanentmagneten 19, zwei magnetfeldempfindliche Hallsensoren 20 sowie diverse elektronische Bauelemente 21, darunter einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikrocontroller zur Digitalisierung und digitalen Weiterverarbeitung der von den Hallsensoren 20 gelieferten Messsignale. Die Baueinheit 15 ist zu ihrem Schutz gegen raue Umgebungsbedingungen von einer Vergussmasse 22 umschlossen.
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Die Schraubenspindel 7 besteht aus ferromagnetischem Material wie beispielsweise nichtaustenitischem Stahl, während der Hauptkörper 2 aus einem zumindest annähernd nichtmagnetischen Material wie beispielsweise austenitischem Edelstahl beseht. Dadurch, dass die Entfernung des Magneten 19 und der Hallsensoren 20 von der Schraubenspindel 7 wesentlich geringer ist als ihre gegenseitige Entfernung auf der Leiterplatte 18, verläuft derjenige Teil des von dem Magneten 19 ausgehenden magnetischen Flusses, welcher auf die Hallsensoren 20 einwirkt, überwiegend durch die Schraubenspindel 7. Die Eigenschaft des Materials des Hauptkörpers 2, nichtmagnetisch zu sein, d. h. den Durchtritt des magnetischen Feldes von dem Magneten 19 zu der Schraubenspindel 7 und von dieser weiter zu den Hallsensoren 20 weitgehend ungehindert zu gestatten, ist hierfür Voraussetzung.
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Durch die Gewindestruktur der Schraubenspindel 7 variiert die Weite des Abstands zwischen der Oberfläche der Schraubenspindel 7 und sowohl dem Magneten 19, als auch den Hallsensoren 20 bei einer Drehung der Schraubenspindel 7 periodisch, was sich in einer periodischen Variation des auf die Hallsensoren 20 einwirkenden magnetischen Flusses auswirkt und zu entsprechenden periodischen Ausgangssignalen der Hallsensoren 20 führt. Bei einer ganzen Umdrehung der Schraubenspindel 7 passiert die Nut des Gewindes mehrmals die Hallsensoren 20, so dass sich mehrere Perioden des einwirkenden magnetischen Flusses und somit des Ausgangssignals jedes Hallsensors 20 ergeben. Die genaue Form des Signals ist von der Gewindeform der Schraubenspindel 7 und der Anordnung des Magneten 19 sowie der Hallsensoren 20 abhängig. Sie kann bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel näherungsweise als parabelförmig betrachtet werden. Die Durchflussmenge des Mediums pro Periode kann experimentell ermittelt werden, so dass eine Umrechnung sowohl ganzer Perioden, als auch von Bruchteilen von Perioden des erfassten Messsignals in eine entsprechende Durchflussmenge erfolgen kann.
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Der Magnet 19 und die Hallsensoren 20 sind an derjenigen Stelle des Umfangs des Hauptkörpers 2 des Gehäuses 1 angeordnet, an welcher die Wanddicke des Hauptkörpers 2 am geringsten ist, da hier der Abstand zwischen der Schraubenspindel 7 und dem Magneten 19 sowie den Hallsensoren 20 am kleinsten ist und somit die Amplitude der periodischen Variation der magnetischen Flussdichte am größten ist.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Baugruppe 15 und die benachbarte Schraubenspindel 7 ohne das Gehäuse 1. Die Leiterplatte 18 hat eine langgestreckte rechteckige Form. An einem Ende ist der Magnet 19 angeordnet, am entgegengesetzten Ende die Hallsensoren 20. Dadurch wird erreicht, dass der überwiegende Teil des magnetischen Flusses, der die Hallsensoren 20 erreicht, durch die ferromagnetische Schraubenspindel 7 verläuft. Da der Magnet 19 ein Permanentmagnet ist, fungiert die Leiterplatte 18 für ihn lediglich als mechanisches Trägersubstrat. Die Bauelemente 21 der elektronischen Schaltung zur Signalverarbeitung sind auf der Leiterplatte 18 zwischen dem Magneten 19 und den Hallsensoren 20 angeordnet.
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Benachbart zu den Hallsensoren 20 ist noch ein Temperatursensor 23 vorgesehen, dessen Signal zur Kompensation des Temperatureinflusses auf die Sensorsignale verarbeitet wird. Die Temperaturkompensation ist insbesondere im Hinblick auf den Einsatz des Durchflussmessers über einen großen Temperaturbereich von Bedeutung, wie er insbesondere bei im Freien stehenden Zapfsäulen von Tankstellen gegeben ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch mit einem einzigen Hallsensor 20 realisiert werden kann, ist die Verwendung von zwei Hallsensoren 20 bevorzugt, wobei diese in Bezug auf die Steigung des Gewindes der Schraubenspindel 7 relativ zueinander so angeordnet sind, dass die von ihnen abgegebenen Ausgangssignale zueinander phasenverschoben sind, wie es in 4 dargestellt ist. Jedes der beiden dort gezeigten periodischen Signale 24 und 25 stammt von einem anderen der beiden Hallsensoren 20. Durch die Phasenverschiebung kann beispielsweise die Drehrichtung der Schraubenspindel 7 festgestellt werden. Darüber hinaus kann durch eine geeignete Verknüpfung der beiden Signale 24 und 25 die Messgenauigkeit gesteigert werden. Hierbei ist wesentlich, dass die Signale 24 und 25 Analogsignale sind, die sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ der Schraubenspindel 7 kontinuierlich ändern und so eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen.
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Aus der vorausgehenden Beschreibung ergeben sich für den Fachmann eine Reihe von Variationsmöglichkeiten zur Realisierung der Erfindung. So müssen der Magnet 19 und die Hallsensoren 20 in Bezug auf die Schraubenspindel 7 nicht unbedingt rein axial beabstandet sein, sondern es könnte auch ein Versatz in Umfangsrichtung des Hauptteils 2 des Gehäuses 1 vorgesehen sein. Anstelle von Hallsensoren 20 könnten auch andere magnetfeldempfindliche Sensorelemente verwendet werden. Die Erzeugung des Magnetfeldes könnte auch durch einen Elektromagneten anstelle eines Permanentmagneten erfolgen, was die Möglichkeit einer Einstellung der Stärke des Magnetfeldes eröffnen würde. Solche und vergleichbare Modifikationen liegen im Ermessen des Fachmanns und sollen vom Schutz der Ansprüche umfasst sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19513781 A1 [0001]
- WO 97/16706 A1 [0003]
