DE102016002093A1

DE102016002093A1 - Flow measurement device

Info

Publication number: DE102016002093A1
Application number: DE102016002093.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Bönninghoff; Björn Schönfeldt
Original assignee: Kracht GmbH
Current assignee: Kracht GmbH
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-24
Also published as: WO2017144155A1

Abstract

Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluides, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden (F), deren Gehäuse (1) eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer (2) aufweist, und in der zumindest eine drehbargelagerte durch ein Fluid (F) antreibbare Schraubenspindel (3) angeordnet ist, deren Schraubenspindelachse (4) parallel zur axialen Richtung der Messkammer (2) orientiert ist, wobei an dem Gehäuse (1) zumindest eine Rotationssensorvorrichtung (5) zur Messung einer Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse (4) angeordnet ist, wobei die Rotationssensorvorrichtung (5) eine Sensorachse (6) aufweist, die gegenüber der Schraubenspindelachse (4) abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement (7) mit der Schraubenspindelachse (4) der Schraubenspindel (3) rotatorisch verbunden ist.Flow measuring device for volume measurement of a flowing fluid, in particular highly viscous or pasty fluids (F), the housing (1) has a flow through in the axial direction measuring chamber (2), and in the at least one rotatably mounted by a fluid (F) drivable screw spindle (3) is arranged, whose screw spindle axis (4) parallel to the axial direction of the measuring chamber (2) is oriented, wherein on the housing (1) at least one rotation sensor device (5) for measuring a rotation angle change of the screw spindle axis (4) is arranged, wherein the rotation sensor device (5 ) has a sensor axis (6) which is arranged angled relative to the screw spindle axis (4) and is rotatably connected via at least one connecting element (7) with the screw spindle axis (4) of the screw spindle (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluids, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden, deren Gehäuse eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer aufweist, und in der zumindest eine drehbar gelagerte durch ein Fluid antreibbare Schraubenspindel angeordnet ist, dessen Schraubenspindelachse parallel zur axialen Richtung der Messkammer orientiert ist, wobei an dem Gehäuse zumindest eine Rotationssensorvorrichtung zur Messung einer Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse angeordnet ist.The invention relates to a flow measuring device for measuring the volume of a flowing fluid, in particular highly viscous or pasty fluids whose housing has a measuring chamber through which can flow in the axial direction, and in which at least one rotatably mounted screw spindle driven by a fluid is arranged whose screw spindle axis is parallel to the axial direction of the Measuring chamber is oriented, wherein on the housing at least one rotation sensor device for measuring a rotation angle change of the screw axis is arranged.

Durchflussmengenfühlern der eingangs genannten Gattung ist gemein, dass ein durch die Messkammer strömendes Fluid zumindest eine Schraubenspindel in Rotation versetzt. Eine Winkeländerung bei einer Rotation der Schraubenspindelachse entspricht dabei einem eindeutig zuordenbaren Fluidvolumen. Dieses wird als Durchflussmenge aufsummiert oder als Durchflussrate über die Zeit dargestellt oder daraus weitere abgeleitete Größen bestimmt. Bei der Bestimmung von sehr kleinen Durchflussmengen ist es notwendig eine Winkeländerung der Schraubenspindel möglichst präzise zu messen, um auf dieser Grundlage eine reproduzierbare Dosierung von Fluiden zu erzielen. Eine exakte Bestimmung der Winkeländerung ist insbesondere bei Anwendungen von Bedeutung, bei denen sehr kleine Durchflüsse mit häufig hochviskosen Medien zuverlässig und reproduzierbar gemessen werden müssen. Beispielsweise seien hier die Dosierung von Bestandteilen für Polyurethane (Polyol, Isocyanat) oder Silikone genannt. Hier ist nicht nur aufgrund technischer Anforderungen, sondern auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit eine hochgenaue, hochauflösende und reproduzierbare Messung kleiner Dosiervolumen oder Durchflussmengen erforderlich. Bei hochviskosen Fluiden ist vor allem auch der Druckverlust durch die Durchflussmessvorrichtung, bzw. der Durchflusswiderstand, zu berücksichtigen, welcher aus Gründen der Energieeffizienz möglichst gering ausfallen sollte. Vorteilhafterweise verringert sich bei einem geringeren Druckverlust zudem die Belastung der Lagerelemente, so dass die Wartungsintervalle und die Lebensdauer der Geräte verlängert werden.Flow rate sensors of the type mentioned is common that a fluid flowing through the measuring chamber at least one screw set in rotation. An angle change during a rotation of the screw spindle axis corresponds to a clearly assignable fluid volume. This is summed up as a flow rate or displayed as a flow rate over time or determined from other derived variables. When determining very small flow rates, it is necessary to measure an angle change of the screw spindle as precisely as possible in order to achieve a reproducible metering of fluids on this basis. An exact determination of the angle change is particularly important in applications in which very small flows must be measured reliably and reproducibly with frequently highly viscous media. For example, the dosage of constituents for polyurethanes (polyol, isocyanate) or silicones may be mentioned here. Here, not only due to technical requirements, but also for reasons of economy, a highly accurate, high-resolution and reproducible measurement of small dosing volumes or flow rates required. In the case of highly viscous fluids, it is above all also necessary to take into account the pressure loss through the flow measuring device, or the flow resistance, which should be as low as possible for reasons of energy efficiency. Advantageously, at a lower pressure loss also reduces the load on the bearing elements, so that the maintenance intervals and the life of the devices are extended.

Das Patentdokument EP 0 741 279 A1 offenbart eine Durchflussmessvorrichtung die zwei miteinander kämmende Zahnräder und zumindest eine Sensoreinrichtung aufweist, wobei die Sensoreinrichtung abhängig von der detektierten Zahndrehung Signalimpulse ausgibt. Ein berührungslos arbeitender Sensor der Sensoreinrichtung ist erfindungsgemäß so eingerichtet, dass er bei Detektion eines vorbeilaufenden Zahnes einen Signalimpuls erzeugt, der durch eine Signalverarbeitungselektronik ausgewertet wird. Bei den kämmenden Zahnrädern handelt es sich um achsparallele Zahnräder, die durch eine senkrecht zur Achsrichtung orientierte Anströmung in Rotation versetzt werden. Man bezeichnet einen Durchflussmengenfühler mit einen derartige Zahnradanordnung typischerweise als Zahnrad-Durchflussmengenzähler. Die geometrischen Gegebenheiten kämmender achsparalleler Zahnräder führen in der Regel dazu, dass die Durchflussmenge pro Winkeländerung des Zahnrades nicht konstant ist und die Durchflussrate trotz konstanter Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrades variiert. Dieser Effekt wird typischerweise als Volumenstrompulsation bezeichnet. Dadurch, dass das Vorbeilaufen eines Zahnes bei dieser Erfindung ein Signal erzeugt, entspricht ein Signal dem Fluidvolumen, das vom Zahn des Gegenrades aus der Zahnlücke verdrängt wird. Für die Dosierung von Volumina, die kleiner sind als das verdrängte Fluidvolumen erfüllt diese Messvorrichtung nicht die erforderlich Messwertauflösung.The patent document EP 0 741 279 A1 discloses a flow measuring device comprising two meshing gears and at least one sensor device, wherein the sensor device outputs signal pulses depending on the detected tooth rotation. A non-contact sensor of the sensor device according to the invention is arranged so that it generates a signal pulse upon detection of a passing tooth, which is evaluated by a signal processing electronics. The meshing gears are axially parallel gears, which are rotated by an oriented perpendicular to the axial direction of flow. A flow rate sensor with such a gear arrangement is typically referred to as a gear flow meter. The geometric conditions of meshing axially parallel gears usually lead to the fact that the flow rate per angular change of the gear is not constant and the flow rate varies despite constant rotational speed of the gear. This effect is typically referred to as volume flow pulsation. Because the passage of a tooth in this invention generates a signal, a signal corresponds to the volume of fluid displaced from the tooth of the counter gear from the tooth space. For the metering of volumes which are smaller than the displaced fluid volume, this measuring device does not meet the required measured value resolution.

Die Messwertauflösung einer Durchflussmessvorrichtung wird in der Durchflussmesstechnik typischerweise durch zwei Kennzahlen ausgedrückt. Die erste Kennzahl ist die Anzahl der erzeugten Impulse pro Liter Fluidvolumen [Imp./l] und die zweite Kennzahl ist das so genannte Impulsvolumen, das durch das Fluidvolumen pro erzeugtem Impuls [cm³/Imp.] gegeben ist.The measured value resolution of a flow measuring device is typically expressed in the flow measurement technique by two characteristic numbers. The first measure is the number of pulses generated per liter of fluid volume [Imp./l] and the second measure is the so-called pulse volume, which is given by the volume of fluid per pulse produced [cm ³ / pulse].

Aus dem Patentdokument DE 195 13 781 A1 ist eine Vorrichtung zur Volumenmessung strömender Medien bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse einer in axialer Richtung durchströmbaren Messkammer senkrecht zur axialen Richtung Längsbohrungen aufweist, in denen auf der messkammerseitigen Stirnseite der Längsbohrungen zumindest ein Sensor angeordnet ist. In der Messkammer ist zumindest eine drehbar gelagerte durch eine Fluid antreibbare Schraubenspindel angeordnet, deren Achse parallel zur axialen Richtung der Messkammer orientiert ist. Bei Drehung der Schraubenspindel streichen die Zähne der Schraubenspindel an dem Sensor vorbei, so dass dieser einen Impuls erzeugt. Das Vorbeistreichen eines Zahns der Schraubenspindel erzeugt somit einen Impuls, der zur Messung der Drehwinkeländerung herangezogen wird, wobei pro Impuls ein Impulsvolumen, das durch die Geometrie der Zähne des Spindelrades definiert ist, durch die Messkammer der Durchflussmessvorrichtung strömt. Zur Messung der Durchflussrichtung sind bei dieser Erfindung zwei Sensoren in axialer Richtung der Messkammer voneinander distanziert angeordnet, wobei der Abstand der Achsen der entsprechenden Längsbohrungen von einem ganzen Vielfachen der Steigung der benachbart liegenden Schraubenspindeln abweicht, so dass die beiden Sensoren zueinander zeitlich versetzte Impulsfolgen erzeugen, die zur Bestimmung der Drehrichtung der Schraubenspindel herangezogen werden. Die Messwertauflösung ist bei diesem Verfahren jedoch dadurch begrenzt, dass Spindelzahnräder üblicherweise nur eine geringe Anzahl an Zähnen aufweisen. Dies gilt insbesondere für Durchflussmessvorrichtungen, die für hochviskose Fluide vorgesehen sind, da bei hochviskosen Fluiden vergleichsweise große Querschnitte bevorzugt sind, um für die Durchströmung der Durchflussmessvorrichtungen einen möglichst kleinen Durchflusswiderstand zu erzielen.From the patent document DE 195 13 781 A1 a device for volume measurement of flowing media is known, which is characterized in that the housing of a flow-through in the axial direction measuring chamber perpendicular to the axial direction longitudinal bores, in which on the measuring chamber side end side of the longitudinal bores at least one sensor is arranged. In the measuring chamber at least one rotatably mounted by a fluid drivable screw spindle is arranged, whose axis is oriented parallel to the axial direction of the measuring chamber. Upon rotation of the screw, the teeth of the screw past the sensor, so that it generates a pulse. The passage of a tooth of the screw spindle thus generates a pulse which is used for measuring the rotation angle change, wherein per pulse a pulse volume, which is defined by the geometry of the teeth of the spindle wheel, flows through the measuring chamber of the flow measuring device. In order to measure the direction of flow, two sensors in the axial direction of the measuring chamber are spaced from each other in this invention, wherein the distance between the axes of the corresponding longitudinal bores deviates from a whole multiple of the pitch of the adjoining screw spindles, so that the two sensors generate mutually staggered pulse trains, which are used to determine the direction of rotation of the screw. However, the measurement resolution is limited in this method in that spindle gears usually have only a small number of teeth. This is especially true for flow measuring devices, which are intended for highly viscous fluids, since in highly viscous fluids comparatively large cross-sections are preferred in order to achieve the smallest possible flow resistance for the flow through the flow measuring devices.

Das Patentdokument EP 2 309 233 A2 offenbart eine andere Ausführung einer Durchflussmessvorrichtung, deren Gehäuse eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer aufweist, in der zumindest eine Schraubenspindel angeordnet ist, deren Achse parallel zur axialen Richtung der Messkammer orientiert ist und auf der ein Drehelement, respektive Geberzahnrad, angeordnet ist. Die Drehwinkeländerung der Schraubenspindel wird bei diesem Lösungsansatz dadurch bestimmt, dass gegenüber vom Geberzahnrad zumindest zwei magneto-elektrische Sensoren als Drehmessfühler angeordnet sind und auf der vom Geberzahnrad abgewandten Seite der Drehmessfühler ein Magnet positioniert ist. Die vorbeistreichenden Zähne des Geberrades stören bzw. verändern das vom Magnet erzeugte Magnetfeld, wobei die Änderung des Magnetfeldes durch die magneto-elektrischen Sensoren detektiert wird. Die Sensoren erzeugen zwei phasenverschobene elektrische Signale, die in digitale Impulse umgewandelt werden. Aus der Phasenverschiebung der Signale lässt sich die Drehrichtung bestimmen. Die Durchflussmenge ist durch die Anzahl der Impulse gegeben, wobei einem Impuls ein definiertes Impulsvolumen zugeordnet ist. Das Impulsvolumen bestimmt sich bei diesem Lösungsansatz aus der Anzahl der Zähne des an der Schraubenspindelachse angeordneten Geberzahnrades, da das Vorbestreichen eines Zahnes einen Impuls erzeugt. Aufgrund dessen ist bei diesem Lösungsansatz die Messwertauflösung dadurch eingeschränkt, dass nur eine begrenzte Anzahl an Zähnen am Umfang des Geberrades anordenbar ist. Insbesondere wird die Messwertauflösung auch dadurch begrenzt, dass die Sensoren druckdicht einzukapseln sind, so dass sich zwischen dem Geberzahnrad und einem Sensor typischerweise Material befindet und eine gewisser Abstand einzuhalten ist, der die Auflösung der Sensoren einschränkt. Des Weiteren ist die Scheibe des Geberzahnrades senkrecht zur Durchströmungsrichtung der Messkammer angeordnet, so dass bei diesem Lösungsansatz das Fluid beim Durchströmen der Messkammer am Geberzahnrad vorbei fließen muss und dabei einen Reibungswiderstand erfährt, der zum einem erhöhtem Durchflusswiderstand der gesamten Durchflussmessvorrichtung führt.The patent document EP 2 309 233 A2 discloses another embodiment of a flow measuring device whose housing has a flow-through in the axial direction of the measuring chamber, in which at least one screw is arranged, whose axis is oriented parallel to the axial direction of the measuring chamber and on which a rotary member, respectively encoder gear, is arranged. The rotation angle change of the screw is determined in this approach by the fact that opposite the encoder gear at least two magneto-electrical sensors are arranged as Drehmessfühler and on the side facing away from the encoder gear side of the rotary sensor, a magnet is positioned. The passing teeth of the encoder wheel disturb or change the magnetic field generated by the magnet, wherein the change of the magnetic field is detected by the magneto-electric sensors. The sensors generate two phase-shifted electrical signals that are converted into digital pulses. From the phase shift of the signals, the direction of rotation can be determined. The flow rate is given by the number of pulses, wherein a pulse is assigned a defined pulse volume. The pulse volume is determined in this approach, the number of teeth of the arranged on the screw shaft axis encoder gear, since the Vorbestreichen a tooth generates a pulse. Due to this, in this approach, the measurement resolution is limited by the fact that only a limited number of teeth on the circumference of the encoder wheel can be arranged. In particular, the measured value resolution is also limited by the fact that the sensors are encapsulated pressure-tight, so that is typically between the encoder gear and a sensor material and a certain distance is observed, which limits the resolution of the sensors. Furthermore, the disk of the encoder gear is arranged perpendicular to the flow direction of the measuring chamber, so that in this approach the fluid must flow past the measuring gear on the encoder gear and thereby undergoes a frictional resistance, which leads to an increased flow resistance of the entire flow measuring device.

Aus dem Patentdokument WO 2012/065883 A2 ist ein Verfahren bekannt bei dem die Messwertauflösung dadurch vergrößert wird, dass mittels eines magneto-elektrischen Sensorelementes zunächst zwei zueinander um 90° phasenverschobene sinusförmige Signale erzeugte werden, die anschließend interpoliert und digitalisiert werden. Es werden dabei zwischen zwei vorbeistreichend Zähnen weitere Impulse erzeugt und auf diese Weise ein Messvolumen in weitere Teilmessvolumina unterteilt und damit das Impulsvolumen verkleinert. Die Unterteilung erfolgt in gleich große Inkremente. Der Nachteil der Vergrößerung der Messwertauflösung durch Interpolation liegt darin, dass die analogen Signale elektronisch in Impulse umgewandelt werden müssen, was zu einer zeitlichen Verzögerung durch Signalverarbeitung führt. Zudem haben technisch mögliche sehr hohe Interpolationsfaktoren Grenzen in der Interpolationsgenauigkeit, die selbst bei sehr sauberen Signalen begrenzt ist. Die Unterteilung in gleich große Inkremente hat bei dem Interpolationsverfahren insbesondere dann einen Nachteil, wenn die Durchflussmenge pro Winkeländerung des Zahnrades aufgrund der geometrischen Gegebenheiten nicht konstant ist und die Durchflussrate trotz konstanter Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrades variiert. Beispielsweise variiert bei Zahnrad-Durchflussmengenfühlern der oben genannten Art die Durchflussrate bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit periodisch. Eine pulsierende Volumenverdrängung oder Volumenstrompulsation führt bei einer Unterteilung in gleich große Inkremente dazu, dass die Teilmessvolumina unterschiedliche Volumen aufweisen, so dass es insbesondere bei der Dosierung von sehr kleinen Volumen zu Messungenauigkeiten kommen kann.From the patent document WO 2012/065883 A2 a method is known in which the measured value resolution is increased by the fact that by means of a magneto-electric sensor element initially two mutually 90 ° phase-shifted sinusoidal signals are generated, which are then interpolated and digitized. In the process, further pulses are generated between two teeth passing past, and in this way a measuring volume is subdivided into further partial measuring volumes, thus reducing the pulse volume. The subdivision is made in equal increments. The disadvantage of increasing the resolution of the measured value by interpolation is that the analog signals must be electronically converted into pulses, resulting in a time delay by signal processing. In addition, technically possible very high interpolation factors have limits in the interpolation accuracy, which is limited even with very clean signals. The subdivision into increments of equal size has a disadvantage in the interpolation method, in particular, when the flow rate per angular change of the gear is not constant due to the geometrical conditions and the flow rate varies despite a constant rotational speed of the gear. For example, in gear flow rate sensors of the above type, the flow rate varies at a constant rotational speed periodically. A pulsating volume displacement or volumetric flow pulsation when subdivided into increments of equal size means that the partial measuring volumes have different volumes, so that measurement inaccuracies can occur, in particular when metering very small volumes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Durchflussmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei einem reduzierten Durchflusswiderstand eine pulsationsfreie Volumenverdrängung und eine hohe Messwertauflösung aufweist, über eine kontinuierliche Signalbildung verfügt, einfach zu realisieren ist, bei hohen Drücken sicher und zuverlässig zu verwenden ist sowie bei einer hohen Lebensdauer einen geringen Wartungsaufwand erfordert.The object of the present invention is to provide a flow measuring device which has a pulsation-free volume displacement and a high measured value resolution at a reduced flow resistance, has a continuous signal formation, is easy to implement, is safe and reliable to use at high pressures, and a long service life requires low maintenance.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Rotationssensorvorrichtung eine Sensorachse aufweist, die gegenüber der Schraubenspindelachse abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement mit der Schraubenspindelachse der Schraubenspindel rotatorisch verbunden ist.The object is achieved according to claim 1, characterized in that the rotation sensor device has a sensor axis, which is arranged angled relative to the screw axis and at least one connecting element is rotatably connected to the screw shaft of the screw.

Durch die abgewinkelte Anordnung der Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung gegenüber der Schraubenspindelachse wird erreicht, dass die Rotationssensorvorrichtung bezüglich der Schraubenspindelachse versetz ist und damit der axialen Strömungsweg durch die Messkammer frei ist.Due to the angled arrangement of the sensor axis of the rotation sensor device relative to the screw spindle axis is achieved that the rotation sensor device is offset with respect to the screw axis and thus the axial flow path through the measuring chamber is free.

Der Vorteil einer abgewinkelten Anordnung der Sensorachse besteht somit darin, dass der der Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung reduziert ist. The advantage of an angled arrangement of the sensor axis is thus that the flow resistance of the flow measuring device is reduced.

Zudem wird dadurch, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung rotatorisch mit der Schraubenspindelachse verbunden ist, gewährleistet, dass die Drehung der Schraubenspindel direkt in eine Drehung der Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung übertragen wird.In addition, by rotationally connecting the sensor axis of the rotation sensor device to the screw shaft axis, it is ensured that the rotation of the screw shaft is transmitted directly to rotation of the sensor axis of the rotation sensor device.

Vorteilhafterweise führt die direkte rotatorische Verbindung zwischen Schraubenspindelachse und Sensorachse dazu, dass die Auflösung der Drehwinkelmessung ausschließlich von dem Auflösungsvermögen der Rotationssensorvorrichtung abhängig ist. Im Gegensatz zu dem zitierten Stand der Technik bietet dieser Lösungsansatz die Möglichkeit die Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse direkt zu messen ohne von einem Vorbeistreichen der Zähne unter einem Sensor, insbesondere einem magneto-elektrischen Sensor, abhängig zu sein.Advantageously, the direct rotational connection between the screw spindle axis and the sensor axis results in that the resolution of the rotational angle measurement depends exclusively on the resolution capability of the rotation sensor device. In contrast to the cited prior art, this approach offers the possibility to directly measure the rotational angle change of the screw spindle axis without being dependent on a passing of the teeth under a sensor, in particular a magneto-electrical sensor.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Messkammer zwei ineinandergreifende Schraubenspindeln aufweist, deren Schraubenspindelachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei zumindest eine Schraubenspindelachse über ein Verbindungselement mit der Rotationssensorvorrichtung verbunden ist. Die beiden im Eingriff befindlichen Schraubenspindeln sind insbesondere von einem Gehäuse umschlossen, so dass keine direkte Verbindung zwischen einem Fluideinlass der Messkammer und einem Fluidauslass der Messkammer besteht.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the measuring chamber has two intermeshing screw spindles whose screw spindle axes are aligned parallel to each other, wherein at least one screw spindle axis is connected via a connecting element with the rotation sensor device. The two screw spindles in engagement are in particular enclosed by a housing, so that there is no direct connection between a fluid inlet of the measuring chamber and a fluid outlet of the measuring chamber.

Die Anordnung von zwei ineinandergreifenden Schraubenspindeln, deren Schraubenspindelachsen parallel in axialer Richtung der Messkammer ausgerichtet sind, führt dazu, dass die Schraubenspindeln durch ein Fluid, das die Messkammer in axialer Richtung durchströmt, in Rotation versetzt werden. Durch die ineinandergreifenden Schraubenspindeln werden abgeschlossene Teilvolumina gebildet, die kontinuierlich mit dem Fluid befüllt und entleert werden. Die Durchflussmenge pro Winkeländerung ist bei Schraubenspindel-Durchflussmessern konstant, so dass die Durchflussrate bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit der Schraubenspindelachse nicht variiert bzw. pulsiert.The arrangement of two intermeshing screw spindles, whose screw spindle axes are aligned parallel in the axial direction of the measuring chamber, causes the screw spindles to be set in rotation by a fluid which flows through the measuring chamber in the axial direction. The intermeshing screw spindles form closed partial volumes which are continuously filled with the fluid and emptied. The flow rate per angle change is constant with screw spindle flowmeters, so that the flow rate does not vary or pulsate at a constant rotational speed of the screw spindle axis.

Die kontinuierliche Befüllung und Entleerung der Teilvolumina hat den Vorteil, dass eine Druck- bzw. Volumenstrompulsation beim Durchströmen der Messkammer verhindert wird. Ineinandergreifende Schraubenspindeln haben zudem den Vorteil, dass durch die parallele Anordnung der Schraubenspindeln zur Strömungsrichtung der Durchflusswiderstand bei der Durchströmung der Messkammer reduziert ist.The continuous filling and emptying of the partial volumes has the advantage that a pressure or volume flow pulsation when flowing through the measuring chamber is prevented. Intermeshing screw spindles also have the advantage that the flow resistance during flow through the measuring chamber is reduced by the parallel arrangement of the screw spindles to the flow direction.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht es vor, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung senkrecht zur Schraubenspindelachse einer Schraubenspindel angeordnet ist.A particularly preferred embodiment of the invention provides that the sensor axis of the rotation sensor device is arranged perpendicular to the screw spindle axis of a screw spindle.

Auf diese Weise ist eine Anordnung der Rotationssensorvorrichtung an der radialen Wand des Gehäuses der Messkammer realisierbar, so dass die axialen Seitenflächen der Messkammer frei bleiben und an den axialen Seitenflächen Rohre für die Zu- und Abführung des Fluids anbringbar sind. Zudem bleibt durch die senkrechte Anordnung der Sensorachse zur Schraubenspindelachse der Strömungsweg neben der Sensorachse gegenüber der Spindel frei, so dass der Durchflusswiderstand bei der Durchströmung der Messkammer reduziert ist.In this way, an arrangement of the rotation sensor device on the radial wall of the housing of the measuring chamber can be realized, so that the axial side surfaces of the measuring chamber remain free and at the axial side surfaces pipes for the supply and discharge of the fluid can be attached. In addition, due to the vertical arrangement of the sensor axis relative to the screw spindle axis, the flow path beside the sensor axis with respect to the spindle remains free, so that the flow resistance during flow through the measuring chamber is reduced.

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement zwischen Sensorachse und Schraubenspindelachse mindestens zwei ineinandergreifende Kegelzahnräder aufweist, wobei ein erstes Kegelzahnrad an der Schraubenspindelachse und ein zweites Kegelzahnrad an der Sensorachse angeordnet ist.A further embodiment of the invention is characterized in that the connecting element between the sensor axis and screw axis has at least two intermeshing bevel gears, wherein a first bevel gear on the screw shaft and a second bevel gear on the sensor axis is arranged.

Die Verwendung von ineinandergreifenden Kegelzahnrädern als Verbindungselement zwischen Schraubenspindelachse und Sensorachse führt dazu, dass die Drehbewegung der Schraubenspindelachse direkt auf die quer, insbesondere senkrecht, angeordnete Sensorachse übertragen ist. Zudem schafft die Anordnung eines Kegelrades an der Schraubenspindelachse, bei dem der Kegelstumpf in Richtung der Schraubenspindel orientiert ist, innerhalb der Messkammer an den Stirnflächen der Kegelzahnräder einen Freiraum durch den das Fluid beim Durchströmen der Messkammer fließt.The use of intermeshing bevel gears as a connecting element between the screw spindle axis and the sensor axis leads to the fact that the rotational movement of the screw spindle axis is transmitted directly to the transversely, in particular vertically, arranged sensor axis. In addition, the arrangement of a bevel gear on the screw shaft axis, in which the truncated cone is oriented in the direction of the screw, within the measuring chamber at the end faces of the bevel gears creates a free space through which the fluid flows when flowing through the measuring chamber.

Diese Ausführungsvariante der Erfindung hat den Vorteil, dass die Kegelzahnräder eine direkte Überführung der Drehbewegung der Schraubenspindelachse auf die Sensorachse realisieren, so dass die Auflösung der Rotationsbewegung abhängig von der Wahl der Rotationssensorvorrichtung ist und auf diese Weise direkt gemessen werden kann. Des Weiteren bietet die Verwendung von mindestens zwei ineinandergreifenden Kegelzahnrädern den Vorteil, dass das Fluid an den Stirnflächen der Kegelzahnräder vorbeifließen kann und somit der Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung signifikant reduziert ist.This embodiment of the invention has the advantage that the bevel gears realize a direct transfer of the rotational movement of the screw spindle axis on the sensor axis, so that the resolution of the rotational movement is dependent on the choice of the rotation sensor device and can be measured directly in this way. Furthermore, the use of at least two intermeshing bevel gears has the advantage that the fluid can flow past the faces of the bevel gears and thus the flow resistance of the flow meter is significantly reduced.

In einer besonders hochauflösenden Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kegelzahnräder des Verbindungselementes eine unterschiedliche Übersetzung bilden. Es ist dabei insbesondere bevorzugt, dass das erste Kegelzahnrad, das mit der Schraubenspindelachse verbunden ist, mehr Zähne aufweist als das zweite Kegelzahnrad, das mit der Sensorachse verbunden ist.In a particularly high-resolution variant of the invention, it is provided that the bevel gears of the connecting element form a different translation. It is included Particularly preferred is that the first bevel gear, which is connected to the screw spindle axis, having more teeth than the second bevel gear, which is connected to the sensor axis.

Eine unterschiedliche Übersetzung der Kegelzahnräder für dazu, dass eine Drehung der Schraubenspindelachse nicht unverändert auf eine Drehung der Sensorachse übertragen wird. In dem das erste Kegelrad mehr Zähne als das zweite Kegelrad aufweist, wird beispielsweise erzielt, dass eine Umdrehung der Schraubenspindelachse in eine vielfache Umdrehung der Sensorachse umgewandelt wird.A different translation of the bevel gears for that rotation of the screw shaft axis is not transmitted unchanged to a rotation of the sensor axis. In that the first bevel gear has more teeth than the second bevel gear, it is achieved, for example, that one revolution of the screw spindle axis is converted into a multiple revolution of the sensor axis.

Vorteilhafterweise ist eine unterschiedliche Übersetzung der Kegelzahnräder des Verbindungselementes dazu verwendbar, eine typische Umdrehungszahl der Schraubenspindelachse auf eine bevorzugte Umdrehungszahl des Rotationssensors anzupassen und somit je nach Anwendung eine optimale Lösung zu realisieren. In dem das erste Kegelrad mehr Zähne als das zweite Kegelrad aufweist ermöglicht die Erfindung auf einfache Weise eine mechanische Verbesserung des Auflösungsvermögens der Durchflussmessvorrichtung, da eine minimale Winkeländerung der Schraubenspindelachse einer größere Winkeländerung der Sensorachse zur Folge hat.Advantageously, a different ratio of the bevel gears of the connecting element can be used to adapt a typical number of revolutions of the screw spindle axis to a preferred rotational speed of the rotation sensor and thus to realize an optimal solution depending on the application. In that the first bevel gear has more teeth than the second bevel gear, the invention readily enables a mechanical improvement of the resolving power of the flow measuring device, since a minimum change in the angle of the screw shaft results in a larger change in the angle of the sensor axis.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungselement eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist. Die Verwendung einer biegsamen Welle oder einer Gelenkwelle führt dazu, dass eine Drehung der Schraubenspindelachse direkt in eine Drehung der Sensorachse übertragen ist. Damit ist das Auflösungsvermögen der Durchflussmessvorrichtung vorteilhafterweise ausschließlich von dem Auflösungsvermögen der Rotationssensorvorrichtung abhängig.A further embodiment of the invention provides that the connecting element is a flexible shaft or a propeller shaft. The use of a flexible shaft or a propeller shaft causes a rotation of the screw shaft axis is transmitted directly in a rotation of the sensor axis. Thus, the resolution of the flow measuring device is advantageously dependent solely on the resolution of the rotation sensor device.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist es vorgesehen, dass die Sensorachse in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist. Eine druckdichte Drehdurchführung ermöglicht, dass das Fluid nicht ungewollt aus der Messkammer austreten kann. Insbesondere ermöglicht eine druckdichte Drehdurchführung für die Sensorachse eine Trennung zwischen der Rotationssensorvorrichtung und der Messkammer. Vorteilhafterweise führt dies dazu, dass bei der Auswahl der Rotationssensorvorrichtung keine Beschränkung bezüglich Widerstandskraft gegen die Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer berücksichtig werden müssen.In a further embodiment, it is provided that the sensor axis is mounted in a pressure-tight rotary feedthrough. A pressure-tight rotary feedthrough allows the fluid to escape from the measuring chamber unintentionally. In particular, a pressure-tight rotary feedthrough for the sensor axis enables a separation between the rotation sensor device and the measuring chamber. Advantageously, this leads to the fact that in the selection of the rotation sensor device no restriction with respect to resistance to the environmental conditions within the measuring chamber must be taken into account.

Bei einer besonders flexibel verwendbaren Ausführung der Erfindung weist die Sensorachse zwei koaxiale Achsen auf, von denen die erste Sensorachse von der zweiten Sensorachse durch eine Trennwand getrennt ist, wobei die Rotation zwischen der ersten Sensorachse und der zweiten Sensorachse mittels einer Magnetkupplung berührungslos übertragen ist. Die Magnetkupplung ist dabei insbesondere dadurch gebildet, dass ein messkammerseitiger Magnet an der sensorseitigen Stirnseite der ersten Sensorachse angeordnet ist und ein sensorseitiger Magnet an der messkammerseitigen Stirnseite der zweiten Sensorachse angeordnet ist.In a particularly flexible embodiment of the invention, the sensor axis has two coaxial axes, of which the first sensor axis is separated from the second sensor axis by a partition, wherein the rotation between the first sensor axis and the second sensor axis is transmitted without contact by means of a magnetic coupling. The magnetic coupling is formed, in particular, in that a measuring chamber-side magnet is arranged on the sensor-side end side of the first sensor axis and a sensor-side magnet is arranged on the measuring chamber-side end side of the second sensor axis.

Die Einführung einer Trennwand in Kombination mit einer Magnetkupplung führt zu einer Trennung des Volumens der Messkammer von der Rotationssensorvorrichtung. Insbesondere ermöglicht die Trennwand, auch bei sehr hohem Druck innerhalb der Messkammer, eine fluiddichte Trennung der Messkammer von der Rotationssensoreinheit. Die Verwendung einer Magnetkupplung zwischen den getrennten koaxialen Sensorachsen stellt trotz Trennwand eine direkte Übertragung der Drehung der ersten Sensorachse auf die zweite Sensorachse sicher, so dass die tatsächliche Drehung der Schraubenspindelachse von der Rotationssensoreinheit messtechnisch bestimmt wird.The introduction of a partition in combination with a magnetic coupling results in a separation of the volume of the measuring chamber from the rotation sensor device. In particular, the partition allows, even at very high pressure within the measuring chamber, a fluid-tight separation of the measuring chamber of the rotation sensor unit. Despite the separating wall, the use of a magnetic coupling between the separate coaxial sensor axes ensures a direct transmission of the rotation of the first sensor axis to the second sensor axis, so that the actual rotation of the screw spindle axis is determined by the rotation sensor unit by measurement.

Die Anordnung einer Trennwand in Kombination mit einer magnetischen Kupplung bietet den Vorteil, dass das Volumen der Messkammer mit einem sehr hohen Druck beaufschlagbar ist, ohne dass das Fluid in Richtung der Rotationssensorvorrichtung austreten kann. Eine Druckdichtigkeit bei besonders hohen Drücken ist insbesondere bei hochviskosen oder pastösen Fluiden von Bedeutung, da diese mit Drücken bis zu 1000 bar beaufschlagt werden, um durch die Messkammer der Durchflussmessvorrichtung gepresst zu werden. Die Trennwand bietet insbesondere auch dann einen Vorteil, wenn physikalisch oder chemisch reaktive Fluide durch die Durchflussmessvorrichtung befördert werden, da die Rotationssensorvorrichtung mit diesen Materialien nicht in Kontakt kommt.The arrangement of a partition in combination with a magnetic coupling has the advantage that the volume of the measuring chamber can be acted upon by a very high pressure, without the fluid can escape in the direction of the rotation sensor device. A pressure tightness at particularly high pressures is particularly important for highly viscous or pasty fluids, since they are subjected to pressures of up to 1000 bar in order to be pressed through the measuring chamber of the flow measuring device. The partition also offers an advantage particularly when physically or chemically reactive fluids are conveyed through the flow meter because the rotation sensor device does not come into contact with these materials.

Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht es vor, dass die Trennwand aus einem amagnetischen Material besteht und eine Dicke aufweist, die einen druckdichten Abschluss der Messkammer bei einem hohen Druck, typischer Weise bis zu 1000 bar, zur Verfügung stellt. Die Verwendung eines amagnetischen Materials ermöglicht des Weiteren eine effektive Magnetkupplung zwischen der ersten und der zweiten Sensorachse.A further embodiment of the invention provides that the partition wall consists of a non-magnetic material and has a thickness which provides a pressure-tight closure of the measuring chamber at a high pressure, typically up to 1000 bar. The use of a nonmagnetic material further enables effective magnetic coupling between the first and second sensor axes.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest der messkammerseitige Magnet axial mittig eine Öffnung aufweist, die ein Lagerelement aufnimmt, das mit der Trennwand in Kontakt ist.In a further embodiment variant of the invention, it is provided that at least the measuring chamber-side magnet has an opening axially in the middle, which receives a bearing element, which is in contact with the dividing wall.

Ein Lagerelement, das mit der Trennwand in Kontakt ist, bietet die Möglichkeit die erste Sensorachse gegenüber der Trennwand axial zu lagern.A bearing element, which is in contact with the partition wall, offers the possibility of axially supporting the first sensor axis in relation to the partition wall.

Vorteilhafterweise führt dies dazu dass der Reibungswiderstand der ersten Sensorachse gegenüber der Trennwand bei einer Drehbewegung reduziert ist, so dass Reibungsverluste minimiert werden und die Winkelstellung der Schraubenspindel rotatorisch auf die zweite Sensorachse überführt wird. Advantageously, this leads to the fact that the frictional resistance of the first sensor axis relative to the partition wall is reduced during a rotational movement, so that friction losses are minimized and the angular position of the screw spindle is rotationally transferred to the second sensor axis.

In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Lagerelement eine Kugel oder ein Teil mit einer gewölbten Oberfläche ist. Durch die Verwendung einer gewölbten Oberfläche oder einer Kugel als Lagerelement wird der Reibungswiderstand der ersten Sensorachse bezüglich der Trennwandfläche minimiert und dadurch eine reibungsfreie Übertragung der Drehung der Schraubenspindelachse auf die Sensorachse gewährleistet.In a further embodiment of the invention, it is provided that the bearing element is a ball or a part with a curved surface. By using a curved surface or a ball as a bearing element, the frictional resistance of the first sensor axis is minimized with respect to the partition wall surface, thereby ensuring a friction-free transmission of the rotation of the screw spindle axis on the sensor axis.

Dies hat den Vorteil, dass der Durchflusswiderstand der gesamten Durchflussmessvorrichtung reduziert ist und eine Verfälschung der Winkelmessung der Schraubenspindel vermieden wird.This has the advantage that the flow resistance of the entire flow measuring device is reduced and a distortion of the angular measurement of the screw is avoided.

Eine besonders präzise Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationssensorvorrichtung einen Inkrementalgeber aufweist, der nach einem magnetischen, induktiven, kapazitiven oder aber vorzugsweise optischen Abtastprinzip arbeitet.A particularly precise embodiment of the invention is characterized in that the rotation sensor device has an incremental encoder which operates according to a magnetic, inductive, capacitive or preferably optical scanning principle.

Die Verwendung eines Inkrementalgebers ermöglicht eine direkte Messung des Drehwinkels der Sensorachse mit einer kontinuierlichen Signalbildung und damit die direkte Messung der Schraubenspindelachse. Als Inkrementalgeber kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein beliebiger handelsüblicher Inkrementalgeber verwendet werden, wobei die Auflösung des Inkrementalgebers je nach Anwendung beliebig zu wählen ist.The use of an incremental encoder allows a direct measurement of the rotation angle of the sensor axis with a continuous signal formation and thus the direct measurement of the screw spindle axis. As an incremental encoder can be used in this embodiment of the invention, any commercial incremental encoder, the resolution of the incremental encoder is to choose depending on the application.

Vorteilhafterweise ist mit einem Inkrementalgeber eine hochauflösende Bestimmung der Drehwinkelstellung und der Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse durchführbar. Die Auflösung ist typischerweise deutlich höher als bei einem Zahnradgeber, bei dem die Signalerzeugung auf Grundlage der Abtastung vorbeilaufender Zähne gemacht wird, wobei das Signal in der Regel durch das Abtasten einer aus ferromagnetischem Material bestehenden Verzahnung mittels eines Magnetfeldsensors erzeugt wird. Insbesondere lässt sich bei geeigneter Wahl der Rotationssensorvorrichtung, bzw. des Inkrementalgebers, eine höhere Messwertauflösung erzielen als mit den im Stand der Technik genannten Zahnradgebern, wobei die Signalerzeug bei der EP 0 741 279 A1 auf der Abtastung der Zähne eines Zahnrades, bei der DE 195 13 781 A1 auf der Abtastung der Zähne eines Spindelrades und bei der EP 2 309 233 A2 auf der Abtastung der Zähne eines Geberrades basiert.Advantageously, with an incremental encoder, a high-resolution determination of the rotational angle position and the rotational angle change of the screw spindle axis can be carried out. The resolution is typically significantly higher than in a gear encoder in which signal generation is made based on the scanning of passing teeth, which signal is typically generated by sensing a gearing made of ferromagnetic material by means of a magnetic field sensor. In particular, with a suitable choice of the rotation sensor device, or of the incremental encoder, a higher measured value resolution can be achieved than with the gear generators mentioned in the prior art, wherein the signal products in the EP 0 741 279 A1 on the scanning of the teeth of a gear, in the DE 195 13 781 A1 on the scanning of the teeth of a spindle wheel and in the EP 2 309 233 A2 based on the scanning of the teeth of a sensor wheel.

Bei einer besonders sensitiven Ausführungsvariante der Durchflussmessvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Inkrementalgeber auf einer optischen Abtastung basiert.In a particularly sensitive embodiment of the flow measuring device, it is provided that the incremental encoder is based on an optical scanning.

Die Verwendung eines Sensors, der auf einer optischen Abtastung basiert, ermöglicht es den Drehwinkel der Sensorachse und damit der Schraubenspindelachse mit einer Genauigkeit zu messen, die um ein Vielfaches höher ist als bei einem aus dem Stand der Technik bekanntem Zahnradgeber. Insbesondere ist es bei einem optischen Inkrementalgeber nicht notwendig eine Signalinterpolation durchzuführen, die selbst bei sauberen Signalen, einer intrinsischen Ungenauigkeit unterliegt und einen nicht unerheblichen Rechenaufwand erfordert, der die Ausgabe des Signals verzögert.The use of a sensor based on an optical scanning makes it possible to measure the rotational angle of the sensor axis and thus of the screw spindle axis with an accuracy that is many times higher than in a gear transmitter known from the prior art. In particular, in the case of an optical incremental encoder, it is not necessary to carry out a signal interpolation which, even with clean signals, is subject to an intrinsic inaccuracy and requires a considerable amount of computation which delays the output of the signal.

Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung eines optischen Inkrementalgebers eine sehr genaue Messung der Drehwinkelstellung und/oder Drehwinkeländerung einer Schraubenspindel und somit des Fluidvolumens, das eine Messkammer passiert. Eine präzise Bestimmung der Durchflussmenge ist dabei insbesondere bei Anwendung notwendig, die eine präzise und reproduzierbare Dosierung von Fluiden erfordern.Advantageously, the use of an optical incremental encoder allows a very accurate measurement of the rotational angle position and / or rotational angle change of a screw spindle and thus of the fluid volume that passes through a measuring chamber. A precise determination of the flow rate is particularly necessary in application that require a precise and reproducible dosing of fluids.

Weitere Merkmale und Einzelheiten einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung sind im Folgenden anhand einer Figur im Detail erläutert.Further features and details of a preferred embodiment of the invention are explained below with reference to a figure in detail.

In 1 ist der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Durchflussmessvorrichtung dargestellt.In 1 the cross-section of an embodiment of the flow measuring device according to the invention is shown.

Das Gehäuse 1 der Durchflussmessvorrichtung weist eine Messkammer 2 auf, die in axialer Richtung von einem Fluid F durchströmbar ist, wobei innerhalb der Messkammer 2 zwei Schraubenspindeln 3 angeordnet sind, deren Schraubenspindelachsen 4 parallel zur axialen Richtung der Messkammer 2 orientiert sind. Die Messkammer 2 ist in axialer Richtung in zwei Richtungen von einem Fluid F durchströmbar, wobei das strömende Fluid F die Schraubenspindeln 3 in Rotation versetzt. In der 1 ist nur eine Strömungsrichtung eingezeichnet. Das Volumen des strömenden Fluids F, das durch die Messkammer 2 fließt, wird bestimmt, indem eine Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse 4 mittels einer Rotationssensorvorrichtung 5 gemessen wird. Die Rotationssensorvorrichtung 5 weist dabei eine Sensorachse 6 auf, die gegenüber der Schraubenspindelachse 4 abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement 7 mit der Schraubenspindelachse 4 einer Schraubenspindel 3 rotatorisch verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Rotation der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die Sensorachse 6 übertragen und von der Rotationssensorvorrichtung 5 bestimmt.The housing 1 the flow measuring device has a measuring chamber 2 on which in the axial direction of a fluid F can be flowed through, wherein within the measuring chamber 2 two screw spindles 3 are arranged, whose screw spindle axes 4 parallel to the axial direction of the measuring chamber 2 are oriented. The measuring chamber 2 In the axial direction in two directions by a fluid F can be flowed through, wherein the flowing fluid F, the screw spindles 3 set in rotation. In the 1 only one direction of flow is shown. The volume of flowing fluid F flowing through the measuring chamber 2 is determined by a rotation angle change of the screw shaft axis 4 by means of a rotation sensor device 5 is measured. The rotation sensor device 5 has a sensor axis 6 on, opposite to the screw spindle axis 4 is arranged at an angle and at least one connecting element 7 with the screw spindle axis 4 a screw spindle 3 is rotationally connected. In this way, a rotation of the screw spindle axis 4 directly on the sensor axis 6 transmitted and from the rotation sensor device 5 certainly.

Wie in 1 dargestellt, weist die Messkammer 2 zwei ineinandergreifende parallel zueinander angeordnete Schraubenspindeln 3 auf, wobei zumindest eine Schraubenspindelachse 4 einer Schraubenspindel 3 mit einer Rotationssensorvorrichtung 5 rotatorisch verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist die Sensorachse 6 der Rotationssensorvorrichtung 5 senkrecht zur Schraubenspindelachse 4 angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht die senkrechte Orientierung der Sensorachse 6 eine Anordnung der Rotationssensorvorrichtung 5 an der radialen Außenwand des Gehäuses 1, so dass eine Zuführung des Fluids F über die axialen Seitenwände der Messkammer 2 nicht behindert ist. Zudem bietet die Anordnung der Rotationssensorvorrichtung 5 an der radialen Außenwand des Gehäuses 1 genügend Raum, um unterschiedliche Arten von Rotationssensorvorrichtungen 5 am Gehäuse 1 der Durchflussmessvorrichtung anzuordnen. As in 1 shown, the measuring chamber 2 two intermeshing screw spindles arranged parallel to one another 3 on, wherein at least one screw spindle axis 4 a screw spindle 3 with a rotation sensor device 5 is rotationally connected. In the illustrated embodiment of the invention, the sensor axis 6 the rotation sensor device 5 perpendicular to the screw spindle axis 4 arranged. Advantageously, the vertical orientation of the sensor axis allows 6 an arrangement of the rotation sensor device 5 on the radial outer wall of the housing 1 such that supply of the fluid F over the axial side walls of the measuring chamber 2 is not handicapped. In addition, the arrangement of the rotation sensor device 5 on the radial outer wall of the housing 1 enough space to accommodate different types of rotation sensor devices 5 on the housing 1 to arrange the flowmeter.

Das Verbindungselement 7 ist in der dargestellten Ausführungsvariante mindestens aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern 7a und 7b gebildet, wobei ein erstes Kegelzahnrad 7a an der Schraubenspindelachse 4 und ein zweites Kegelzahnrad 7b an der Sensorachse 6 angeordnet ist. Die Kegelzahnräder 7a und 7b bieten die Möglichkeit eine Drehung der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die Sensorachse 6 zu übertragen. Zudem wird gegenüber den axialen Stirnseiten der Kegelzahnräder 7a und 7b ein Volumen frei, das von dem Fluid F durchströmbar ist. Vorteilhafterweise wird durch diese Ausführungsvariante der Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung signifikant reduziert. Ein kleiner Durchflusswiderstand ist dabei insbesondere bei hochviskosen oder pastösen Fluiden von Vorteil, da diese bei einer Erhöhung des Durchflusswiderstandes mit einem deutlich höheren Druck beaufschlagt werden müssten, um durch die Messkammer 2 befördert zu werden.The connecting element 7 is in the illustrated embodiment at least two intermeshing gears 7a and 7b formed, wherein a first bevel gear 7a at the screw spindle axis 4 and a second bevel gear 7b at the sensor axis 6 is arranged. The bevel gears 7a and 7b offer the possibility of rotation of the screw spindle axis 4 directly on the sensor axis 6 transferred to. In addition, with respect to the axial end faces of the bevel gears 7a and 7b a volume which can be flowed through by the fluid F. Advantageously, the flow resistance of the flow measuring device is significantly reduced by this embodiment variant. A small flow resistance is particularly advantageous in the case of highly viscous or pasty fluids, since they would have to be subjected to a significantly higher pressure when the flow resistance was increased in order to pass through the measuring chamber 2 to be promoted.

Die dargestellte Ausführungsvariante zeigt eine Sensorachse 6, die in zwei getrennte koaxiale Sensorachsen 6a und 6b aufgeteilt ist, von denen die erste Sensorachse 6a von der zweiten Sensorachse 6b durch eine Trennwand 8 druckdicht getrennt ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht die Trennung der Messkammer 2 von der Rotationssensorvorrichtung 5 und verhindert ein radial seitliches Austreten des Fluids F aus der Messkammer 2. Die Einführung einer Trennwand hat den Vorteil, dass eine beliebige Sensorart als Rotationssensorvorrichtung 5 auszuwählen ist, ohne auf die Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer Rücksicht nehmen zu müssen.The illustrated embodiment shows a sensor axis 6 placed in two separate coaxial sensor axes 6a and 6b is split, of which the first sensor axis 6a from the second sensor axis 6b through a partition 8th pressure-tight is separated. Such an arrangement allows the separation of the measuring chamber 2 from the rotation sensor device 5 and prevents a radial side leakage of the fluid F from the measuring chamber 2 , The introduction of a partition has the advantage that any type of sensor as a rotation sensor device 5 is to be selected without having to take into account the environmental conditions within the measuring chamber.

Die Rotation zwischen der ersten Sensorachse 6a und der zweiten Sensorachse 6b wird berührungslos mittels einer Magnetkupplung durchgeführt. Bei der Magnetkupplung ist insbesondere ein messkammerseitiger Magnet 9a an der sensorseitigen Stirnseite der ersten Sensorachse 6a angeordnet und ein sensorseitiger Magnet 9b an der messkammerseitigen Stirnseite der zweiten Sensorachse 6b angeordnet. Die Magnetkupplung zwischen der ersten Sensorachse 6a und der zweiten Sensorachse 6b ermöglicht eine Übertragung der Drehung der Schraubenspindelachse 4 auf die zweite Sensorachse 6b, so dass die Auflösung der Durchflussmessvorrichtung im Wesentlichen von der Rotationssensorvorrichtung 5 abhängig ist.The rotation between the first sensor axis 6a and the second sensor axis 6b is carried out without contact by means of a magnetic coupling. In the magnetic coupling is in particular a measuring chamber side magnet 9a on the sensor-side end side of the first sensor axis 6a arranged and a sensor-side magnet 9b at the measuring chamber side end side of the second sensor axis 6b arranged. The magnetic coupling between the first sensor axis 6a and the second sensor axis 6b allows transmission of the rotation of the screw shaft 4 on the second sensor axis 6b such that the resolution of the flowmeter substantially depends on the rotation sensor device 5 is dependent.

Die Trennwand 8 besteht aus einem amagnetischen Material und weist insbesondere eine Dicke auf bei der sichergestellt ist, dass die Messkammer 2 auch bei hohem Druck, der bei hochviskosen Fluiden im Bereich von 1000 bar liegen kann, druckdicht abgeschlossen ist.The partition 8th consists of a non-magnetic material and in particular has a thickness at which it is ensured that the measuring chamber 2 even at high pressure, which can be in the range of 1000 bar with highly viscous fluids, is completed pressure-tight.

Wie in 1 dargestellt, weist der messkammerseitige Magnet 9a axial mittig eine Öffnung auf, die ein Lagerelement 10 aufnimmt, das mit der Trennwand 8 in Kontakt ist. Dadurch wird eine axiale Lagerung der ersten Sensorachse 6a realisiert und ein definierter Abstand zwischen dem messkammerseitigen Magneten 9a und dem sensorseitigen Magneten 9b sichergestellt. Das Lagerelement 10 ist vorzugsweise als eine Kugel ausgeführt, die eine minimale Kontaktfläche mit der Trennwand 8 bildet, so dass der Reibungswiderstand des axialen Lagers minimal ist. Die radiale Lagerung der ersten Sensorachse 6a wird in der dargestellten Ausführungsform mittels eines Gleitring 11 realisiert, der an einem Lagerhalter 12 angeordnet ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verbindungselement 7 eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist, die die Sensorachse 6 mit der Schraubenspindelachse 4 rotatorisch verbindet. Durch die Verwendung einer Welle oder einer Gelenkwelle als Verbindungselement wird die Drehbewegung der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die Sensorachse 6 übertragen, so dass die Auflösung der Durchflussmessvorrichtung weitestgehend von der Auflösung der Rotationssensorvorrichtung 5 abhängig ist.As in 1 shown, the measuring chamber side magnet 9a axially centered on an opening which is a bearing element 10 absorbs that with the dividing wall 8th is in contact. As a result, an axial bearing of the first sensor axis 6a realized and a defined distance between the measuring chamber side magnet 9a and the sensor-side magnet 9b ensured. The bearing element 10 is preferably designed as a ball which has a minimal contact surface with the partition wall 8th forms, so that the frictional resistance of the axial bearing is minimal. The radial bearing of the first sensor axis 6a is in the illustrated embodiment by means of a sliding ring 11 realized at a store keeper 12 is arranged. In an embodiment of the invention, not shown, it is provided that the connecting element 7 a flexible shaft or a propeller shaft which is the sensor axis 6 with the screw spindle axis 4 rotatory connects. By using a shaft or a propeller shaft as a connecting element, the rotational movement of the screw spindle axis 4 directly on the sensor axis 6 so that the resolution of the flow measuring device as far as possible from the resolution of the rotation sensor device 5 is dependent.

Eine weitere nicht dargestellte Ausführung der Erfindung sieht eine Sensorachse 6 vor, die in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist und mit der Schraubenspindelachse 4 über ein Verbindungselement 7 rotatorisch verbunden ist. Die druckdichte Drehdurchführung der Sensorachse 6 ermöglicht dabei eine Trennung des Volumens der Messkammer 2 von der Rotationssensorvorrichtung 5, so dass die Sensorart unabhängig von den Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer 2 auswählbar ist.Another non-illustrated embodiment of the invention provides a sensor axis 6 , which is mounted in a pressure-sealed rotary feedthrough and with the screw spindle axis 4 via a connecting element 7 is rotationally connected. The pressure-tight rotary feedthrough of the sensor axis 6 allows a separation of the volume of the measuring chamber 2 from the rotation sensor device 5 , so that the type of sensor regardless of the environmental conditions within the measuring chamber 2 is selectable.

Vorzugsweise wird als Rotationssensorvorrichtung ein Inkrementalgeber verwendet, der auf einem magnetischen, induktiven, kapazitiven oder aber vorzugsweise optischen Abtastprinzip basiert. Der Einsatz eines Inkrementalgebers ermöglicht die direkte Auslesung des Drehwinkels und/oder der Drehwinkeländerung und damit die die direkte Bestimmung der Durchflussmenge, wobei eine Signalinterpolation, wie sie beispielsweise bei Zahnradgebern mit magnetischen Sensoren typischer Weise durchgeführt wird, nicht notwendig ist. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der Winkelmessung der Schraubenspindelachse deutlich verbessern und das Impulsvolumen pro erzeugten Impuls signifikant verkleinern. Eine Verbesserung der Auflösung ist insbesondere bei sehr kleinen Durchflussmengen wichtig, da hier besonders zuverlässig ein reproduzierbarer Wert zu messen ist. Zudem ist der Rechenaufwand bei einem Inkrementalgeber im Vergleich zu der Interpolation, wie sie bei Zahnradgebern typischerweise verwendet wird, um die Auflösung zu erhöhen, deutlich kleiner, so dass die Information mit dem Durchflusswert deutlich schneller vorliegt. Eine hochauflösende reproduzierbare Messung ist insbesondere bei der Dosierung von Polyurethanen oder Silikonen in der Industrie aus wirtschaftlichen Gründen von entscheidender Bedeutung. An incremental encoder which is based on a magnetic, inductive, capacitive or preferably optical scanning principle is preferably used as the rotation sensor device. The use of an incremental encoder allows the direct reading of the angle of rotation and / or the rotation angle change and thus the direct determination of the flow rate, wherein a signal interpolation, as is typically carried out in gear encoders with magnetic sensors, is not necessary. As a result, the accuracy of the angle measurement of the screw spindle axis can be significantly improved and significantly reduce the pulse volume per pulse generated. An improvement of the resolution is particularly important for very small flow rates, since it is particularly reliable to measure a reproducible value. In addition, the computational effort with an incremental encoder compared to the interpolation, as is typically used in gear encoders to increase the resolution, much smaller, so that the information with the flow rate value is much faster. A high-resolution reproducible measurement is particularly important in the dosage of polyurethanes or silicones in the industry for economic reasons of crucial importance.

Bei der Auswahl eines geeigneten Inkrementalgebers hat sich während der Entwicklung gezeigt, dass optische Inkrementalgeber eine geeignete Auflösung aufweisen, um kleinste Durchflussmengen zu bestimmen und auf diese Weise eine hohe Reproduzierbarkeit bei der Dosierung von kleinsten Volumina zu gewährleisten.When selecting a suitable incremental encoder, it has been shown during development that optical incremental encoders have a suitable resolution to determine the smallest flow rates and thus to ensure high reproducibility in the metering of the smallest volumes.

Die zugrundeliegende Erfindung ermöglicht den Aufbau einer Durchflussmessvorrichtung die bei hohem Druck betreibbar ist, einen geringen Durchflusswiderstand aufweist und eine sehr hoch aufgelöste Messung der Durchflussmenge zur Verfügung stellt.The underlying invention enables the construction of a flow meter which is operable at high pressure, has low flow resistance, and provides a very high resolution measurement of flow rate.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gehäusecasing
22: Messkammermeasuring chamber
33: Schraubenspindelscrew
44: SchraubenspindelachseScrew axis
55: RotationssensorvorrichtungRotation sensor device
66: Sensorachsesensor axis
6a6a: erste Sensorachsefirst sensor axis
6b6b: zweite Sensorachsesecond sensor axis
77: Verbindungselementconnecting element
7a7a: erstes Kegelzahnradfirst bevel gear
7b7b: zweites Kegelzahnradsecond bevel gear
88th: Trennwandpartition wall
9a9a: messkammerseitiger MagnetMeasuring chamber side magnet
9b9b: sensorseitiger Magnetsensor-side magnet
1010: Lagerelementbearing element
1111: Gleitringsliding ring
1212: Lagerhalterstorekeeper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0741279 A1 [0003, 0038]
DE 19513781 A1 [0005, 0038]
EP 2309233 A2 [0006, 0038]
WO 2012/065883 A2 [0007]

Claims

Flow measuring device for volume measurement of a flowing fluid, in particular of highly viscous or pasty fluids (F), whose housing ( 1 ) a flow through in the axial direction measuring chamber ( 2 ), and in the at least one rotatably mounted by a fluid (F) drivable screw spindle ( 3 ) is arranged, the screw spindle axis ( 4 ) parallel to the axial direction of the measuring chamber ( 2 ), wherein on the housing ( 1 ) at least one rotation sensor device ( 5 ) for measuring a rotation angle change of the screw spindle axis ( 4 ), characterized in that the rotation sensor device ( 5 ) a sensor axis ( 6 ), which relative to the screw spindle axis ( 4 ) is arranged at an angle and at least one connecting element ( 7 ) with the screw spindle axis ( 4 ) of the screw spindle ( 3 ) is rotationally connected.

Flow measuring device according to claim 1, characterized in that the measuring chamber ( 2 ) two intermeshing screw spindles ( 3 ) whose screw spindle axes ( 4 ) are aligned in parallel, wherein at least one of the screw spindles ( 3 ) with the rotation sensor device ( 5 ) connected is.

Flow measuring device according to the preceding claims, characterized in that the sensor axis of the rotation sensor device ( 5 ) perpendicular to the screw spindle axis ( 4 ) is arranged.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting element ( 7 ) at least two intermeshing bevel gears ( 7a . 7b ), wherein a first bevel gear ( 7a ) on the screw spindle axis ( 4 ) and a second bevel gear ( 7b ) on the sensor axis ( 6 ) is arranged.

Flow measuring device according to claim 4, characterized in that the bevel gears ( 7a . 7b ) of the connecting element ( 7 ) form a different translation, in particular wherein the first bevel gear ( 7a ) more teeth than the second bevel gear ( 7b ) having.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting element ( 7 ) is a flexible shaft or a propeller shaft.

Flow measuring device according to claim 6, characterized in that the sensor axis ( 6 ) is mounted in a pressure-tight rotary feedthrough.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor axis ( 6 ) two separate coaxial sensor axes ( 6a . 6b ), of which the first sensor axis ( 6a ) from the second sensor axis ( 6b ) by a partition wall ( 8th ) is pressure-tightly separated, wherein the rotation between the first sensor axis ( 6a ) and the second sensor axis ( 6b ) is transmitted without contact by means of a magnetic coupling, in particular with a measuring chamber side magnet ( 9a ) on the sensor-side end side of the first sensor axis ( 6a ) and a sensor-side magnet ( 9b ) on the measuring chamber side end side of the second sensor axis ( 6b ) is arranged.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the partition wall ( 8th ) consists of an amagnetic material.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least the measuring chamber-side magnet ( 9a ) has an opening axially centered, which is a bearing element ( 10 ), which with the partition wall ( 8th ) is in contact.

Flow measuring device according to claim 9, characterized in that the bearing element ( 10 ) is a ball or a part with a curved surface.

Flow measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotation sensor device ( 5 ) has an incremental encoder, which operates on a magnetic, inductive, capacitive or preferably optical scanning principle.