DE102020133560A1

DE102020133560A1 - Flußmessvorrichtung und Verfahren zur Messung des Volumenstroms eines Fluids

Info

Publication number: DE102020133560A1
Application number: DE102020133560.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Bönninghoff; Björn Schönfeldt; Benedikt Gnacke
Original assignee: Kracht GmbH
Current assignee: Kracht GmbH
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2022129034A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flußmessvorrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Messkammer, in der ein Messwerk angeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit eines zwischen Fluideingang und Fluidausgang der Messkammer fließenden Fluids wenigstens eine in der Meßkammer rotierbar gelagerte mechanische Sensorkomponente in Rotation versetzbar ist, die mit wenigstens einer elektrischen Sensorkomponente außerhalb der Messkammer magnetisch wechselwirkend ist, wobei die wenigstens eine mechanische Sensorkomponente eine rotierbare Welle umfasst, die in einem in der Messkammer liegenden Wellenbereich ein magnetisierbares Material umfasst und der Wellenbereich mit wenigstens zwei elektrischen Sensorkomponenten wechselwirkend ist, wobei jede elektrische Sensorkomponente durch einen Magnetfeldsensor ausgebildet ist und jeder Magnetfeldsensor zu dem mit ihm wechselwirkenden Wellenbereich beabstandet außerhalb der Messkammer angeordnet ist und den Magnetfeldsensoren wenigstens ein außerhalb der Messkammer liegender ortsfester Permanentmagnet zugeordnet ist, mit dem am jeweiligen Ort der Magnetfeldsensoren ein Magnetfeld erzeugbar ist, wobei jeder Magnetfeldsensor auf dem magnetisierbaren Material einen Teilflächenbereich überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor variabel ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flußmessvorrichtung zur Messung des Volumenstroms eines Fluids, umfassend ein Gehäuse mit einer Messkammer, die einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweist, wobei in der Messkammer ein Messwerk angeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit eines zwischen Fluideingang und Fluidausgang fließenden Fluids wenigstens eine in der Meßkammer rotierbar gelagerte mechanische Sensorkomponente in Rotation versetzbar ist, die mit wenigstens einer elektrischen Sensorkomponente außerhalb der Messkammer magnetisch wechselwirkend ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung des Volumenstroms eines Fluids mit einer Fluidmessvorrichtung umfassend ein Gehäuse mit einer Messkammer, die einen Fluideingang und einen Fluidausgang aufweist, wobei in der Messkammer ein Messwerk angeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit eines zwischen Fluideingang und Fluidausgang fließenden Fluids wenigstens eine in der Meßkammer rotierbar gelagerte mechanische Sensorkomponente in Rotation versetzt wird, die mit wenigstens einer elektrischen Sensorkomponente außerhalb der Messkammer magnetisch wechselwirkt.
Solche Flußmessvorrichtungen und Verfahren zur Messung des Volumenstromes eines Fluids sind im Stand der Technik bekannt, z.B. aus der Publikation US 9,581,474 B1 , der DE 10 2006 011 310 A1 und auch der EP 3 580 527 B1 .
Die in den beiden erstgenannten Publikationen beschriebenen Messwerke umfassen in der Messkammer wenigstens ein rotierbares Verdrängerelement, wobei die durch den Fluiddurchfluss erzeugte Rotation eines Verdrängerelementes messtechnisch erfasst wird. Benannt sind als Verdrängerelement entweder ein einziges Zahnrad oder als in Eingriff stehende Verdrängerelemente zwei miteinander kämmende Zahnräder. Ein jeweiliges Verdrängerelement, z.B. Zahnrad, ist auf einer Welle angeordnet, wobei die jeweilige Welle um deren Wellenmittenachse drehbar gelagert ist, z.B. in Wälzlagern, insbesondere Zylinderlagern oder Kugellagern.
Bei der Ausführung mit nur einem drehbaren Verdrängerelement, z.B. Zahnrad, wird zwischen dem Verdrängerelement und der Messkammerwand, z.B. zwischen den Zahnzwischenräumen und der Messkammerwand das zu fördernde Fluid eingeschlossen. Insbesondere können hierbei die Zahnzwischenräume bezogen auf die Fließrichtung unsymmetrisch ausgebildet sein, um beim Fluß eine bevorzugte Rotationsrichtung des Verdrängerelementes zu erzielen.
Bei der Ausführung mit zwei in Eingriff stehenden Verdrängerelementen, z.B. kämmenden Zahnrädern, wird durch erste Raumbereiche zwischen einem jeweiligen Verdrängerelement, z.B. Zahnrad, und den umgebenden Messkammerwänden, insbesondere zwischen dem Verdrängerelement und den dieses radial und axial umgebenden Messkammerwänden, ein Hinfluß und durch zwischen den beiden in Eingriff stehenden Verdrängerelementen gebildeten zweiten Raumbereichen, z.B. zwischen den kämmenden Zahnrädern, insbesondere also zwischen dem Zahn eines der Zahnräder und dem Zahnzwischenraum des anderen, ein Rückfluß erzeugt, wobei die Differenz aus Hinfluß und Rückfluß den effektiven Fluidfluß zwischen Eingang und Ausgang bildet.. Das bei der Rotation der Verdrängerelemente pro einem bestimmten Rotationswinkel geförderte definierte Volumen ergibt sich zu V = 2 × VR₁ - VR₂, wobei VR₁ das beim bestimmten Rotationswinkel in einem ersten Raumbereich bei jedem der beiden Verdrängerelemente eingeschlossene Volumen ist und VR₂ das beim bestimmten Rotationswinkel in einem zweiten Raumbereich eingeschlossene Volumen ist.
Bei Zahnrädern kann vorzugsweise der bestimmte Rotationswinkel dem Teilungswinkel entsprechen, also 360 Grad / Anzahl der Zähne des Zahnrades. Innerhalb eines Umfangsabschnittes mit der Winkelerstreckung des genannten Teilungswinkels befindet sich dann bei jedem Verdrängerelement genau ein Zahnzwischenraum, der mit den angrenzenden Messkammerwänden das Volumen VR₁ des ersten Raumbereiches definiert. Im Eingriffsbereich beider Zahnräder wird durch den Zahnzwischenraum eines Zahnrades und dem darin eingreifenden Zahn des anderen Zahnrades das Volumen VR₂ umgrenzt und definiert.
Es können auch Ausführungen vorgesehen sein, in denen ein jeweiliges Verdrängerelement als Schraubenspindel, Ovalrad, ö.ä. ausgebildet wird.
Diese vorgenannten Ausführungen zeichnen sich vorzugsweise dadurch aus, dass durch die Verdrängerelemente der Strömungspfad zwischen Fluideingang und Fluidausgang ohne Rotation der Verdrängerelemente unterbrochen ist, so dass ein Fluidfluss durch die Messkammer nur unter Rotation des einen oder der zwei Verdrängerelemente möglich ist. Unter Rotation des Verdrängerelementes oder der Verdrängerelemente fließt somit das Fluid portionsweise mit einem definierten Fluidvolumen, z.B. gemäß dem oben genannten Volumen V, pro einem bestimmten Rotationswinkel, z.B. dem Teilungswinkel, durch die Vorrichtung. Es ist so eine sehr präzise Volumenmessung des durch die Vorrichtung fließenden Fluids anhand der bekannten Größe des genannten definierten Fluidvolumens und der Anzahl der pro Gesamtumdrehung geflossenen Portionen möglich.
Es sind weiterhin auch Vorrichtungen der eingangs genannten Art z.B. aus der letztgenannten Publikation bekannt, bei welcher das Messwerk in der Messkammer ein Flügelrad aufweist, insbesondere bei sogenannten Flügelradzählern. Hier wird das Flügelrad durch einen Fluidstrom zwischen Fluideingang und Fluidausgang der Messkammer in Rotation um seine Rotationsachse versetzt. Auch ein solches Flügelrad kann auf einer um die Rotationsachse drehbar gelagerten Welle angeordnet sein.
In einer solchen Vorrichtung wird der Strömungsweg des Fluids durch die Messkammer bei stillstehendem Flügelrad üblicherweise nicht unterbrochen. Solche Vorrichtungen eignen sich zur verlässlichen Messung im Wesentlichen nur bei Strömungen über einem bestimmten Grenzvolumenstrom, der geeignet ist, das Flügelrad in Rotation zu versetzen.
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren jeder möglichen Art, ein Messwerk auszubilden, durch welches durch den Fluidfluß wenigstens eine mechanische Sensorkomponente in Rotation versetzt wird, insbesondere auf Vorrichtungen der zuvor genannten Arten, wobei eine Realisierung des Messwerkes mit Verdrängerelementen der Realisierung mit Flügelrädern vorgezogen ist.
Es ist im vorbenannten Stand der Technik bekannt, die Rotation eines Verdrängerelementes oder Flügelrades dadurch messtechnisch zu erfassen, dass die mechanische Sensorkomponente, die beim Fluiddurchfluss durch das Messwerk in der Messkammer in Rotation versetzt wird, wenigstens einen Magneten aufweist. Ein solcher Magnet kann in/an der Welle angeordnet sein, die ein Verdrängerelement oder das Flügelrad trägt oder auch im Verdrängerelement oder Flügelrad selbst. Der wenigstens eine Magnet ist hierdurch mit dem Fluid in Kontakt und erzeugt mit seiner Rotation ein zugleich rotiertes Magnetfeld aufgrund der mit dem magneten rotierenden Pole. Er ist weiterhin Teil der mit dem Messwerk bewegten Masse.
Mit einer außerhalb der Messkammer angeordneten elektrischen Sensorkomponente steht die mechanische Sensorkomponente des Standes der Technik, insbesondere also der wenigstens eine Magnet, insoweit in magnetischer Wechselwirkung, als dass das rotierende Magnetfeld an der elektrischen Sensorkomponente ein Messsignal erzeugt, z.B. in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke am Ort der elektrischen Sensorkomponente.
Allgemein, insbesondere somit auch gültig für die Erfindung, liegt eine magnetische Wechselwirkung der mechanischen Sensorkomponente mit der elektrischen Sensorkomponente z.B. dahingehend vor, dass durch die Rotation wenigstens eines Elementes der mechanischen Sensorkomponente das Messsignal eines Elements der elektrischen Sensorkomponente geändert wird durch Änderung des am Ort des genannten Elementes der elektrischen Sensorkomponente vorliegenden Magnetfeldes.
Eine elektrische Sensorkomponente umfasst z.B. einen Hall-Effekt-Sensor oder einen Sensor nach dem GMR- (Giant Magneto Resistance) oder TMR- (Tunnel Magneto Resistance) oder AMR- (Anisotrope Magneto Resistive) oder EMR-(Extraordinary Magneto Resistance) oder CMR- (Collosale Magneto Resistive) oder GMI- (Giant Magnetic Inductance) Prinzip, oder wie z.B. in der letztgenannten Publikation genannt, einfach eine Spule oder ist als solches Element ausgebildet.
Der Sensor erzeugt bei den genannten Dokumenten des Standes der Technik ein elektrisches Signal, das abhängig ist von der Rotationswinkelstellung des Magneten, bzw. des von ihm erzeugten Magnetfeldes zum Sensor. Das von einem Magnetfeldsensor erzeugte Signal kann im Stand der Technik und auch bei der Erfindung weiter ausgewertet werden, um eine Information über den Volumenstrom oder das geförderte Volumen zu bilden. Ein gemessenes Signal kann z.B. ein mit der Rotation des Messwerks sich stetig änderndes Spannungs- oder Stromsignal sein, z.B. dass sich mit der Rotation sinusförmig ändert. Das Signal kann auch durch Spannung- oder Strompulse ausgebildet sein, insbesondere in der Art, dass pro Gesamtumdrehung des Messwerks und/oder wenigstens eines Elementes einer mechanischen Sensorkomponente eine vorbestimmte Anzahl von Pulsen erzeugt wird. Es kann auch vorgesehen sein, zwischen den vorgenannten Signalformen zu wandeln, also eines der genannten Signale aus einem anderen zu bilden, z.B. Pulse aus einem Sinus-Signal zu bilden. Alle vorgenannten Sensoren, und grundsätzlich jegliche Sensoren, die eine magnetische Wechselwirkung ermöglichen, sowie die genannten Vorgehensweisen können auch bei der Erfindung eingesetzt werden.
Problematisch bei dieser Art der magnetischen Wechselwirkung ist es, dass der das zu messende Magnetfeld erzeugende Magnet in der Messkammer angeordnet und damit medienberührt ist, was bei korrosiven Medien oder magnetische Partikel fördernden Fluiden nachteilig ist.
Wie erwähnt ist im genannten Stand der Technik der Magnet Teil der vom Messwerk zu bewegenden Masse und erhöht damit auch die Trägheit des Messwerkes und beeinflusst somit das Anlaufverhalten.
Weiterhin erzeugt die magnetische Wechselwirkung des Magneten, bzw. dessen rotiertem Magnetfeld mit dem Sensor oder mit um die Messkammer herumliegenden metallischen Elementen ein auf das Messwerk wirkendes Bremsmoment, insbesondere durch Wirbelströme, was eine präzise Volumenmessung erschwert, oder zumindest als Störgröße berücksichtigt werden muss. Dieser Bremseffekt ist umso größer je weiter der rotierende Magnet radial von der Rotationsachse entfernt ist.
Ebenso ist es als nachteilig zu bewerten, dass typische Serienstreuungen in der Fertigung von Magneten zu Inhomogenitäten im rotierten Magnetfeld führen, was die Auswertung des erzeugten Signals erschwert.
Besonders in Anwendungen, in denen es auf eine hochpräzise Messung auch sehr kleiner Volumina ankommt, sind die Vorrichtungen der eingangs genannten Art mit am Messwerk angeordneten Magneten zur Erzeugung eines rotierten Magnetfeldes somit als nachteilig anzusehen.
Ein weiterer Nachteil ist auch darin zu sehen, dass mit den Vorrichtungen des benannten Standes der Technik mit nur einem Magnetfeldsensor in der elektrischen Sensorkomponente nicht die Drehrichtung des Messwerkes und damit auch nicht die Fließrichtung des Fluids durch die Vorrichtung erfasst werden kann.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen die Wirkung von Bremsmomenten auf das Messwerk vermieden oder zumindest reduziert werden kann, insbesondere somit die Anordnung von durch den Fluidfluss rotierten, das zu messende Magnetfeld erzeugenden Magneten am Messwerk zu vermeiden. Es ist weiterhin eine Aufgabe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren die Fließrichtung des Fluids durch die Vorrichtung erkennen zu können.
Diese Aufgabe wird in einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die wenigstens eine mechanische Sensorkomponente eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle umfasst, die von dem Messwerk bei dessen Rotation angetrieben wird und die in einem in der Messkammer liegenden Wellenbereich ein magnetisierbares Material umfasst, vorzugsweise zumindest in diesem Wellenbereich aus einem magnetisierbaren Material ausgebildet ist, und der wenigstens eine magnetisierbares Material umfassende Wellenbereich mit wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei elektrischen Sensorkomponenten wechselwirkend ist, wobei jede elektrische Sensorkomponente durch einen Magnetfeldsensor ausgebildet ist, und jeder Magnetfeldsensor zu dem mit ihm wechselwirkenden Wellenbereich in einer Abstandsrichtung beabstandet außerhalb der Messkammer angeordnet ist, und den Magnetfeldsensoren wenigstens ein außerhalb der Messkammer liegender ortsfester Permanentmagnet zugeordnet ist, vorzugsweise der in der Abstandsrichtung betrachtet einen jeweiligen Magnetfeldsensor überdeckend angeordnet ist, wobei mit dem wenigstens einen Permanentmagneten am jeweiligen Ort der Magnetfeldsensoren ein Magnetfeld erzeugbar ist, wobei jeder der Magnetfeldsensoren betrachtet in der Abstandsrichtung auf dem magnetisierbaren Material, insbesondere auf der Oberfläche des mit ihm wechselwirkenden Wellenbereichs einen Teilflächenbereich des magnetisierbaren Material / der Oberfläche überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor variabel ist.
Die vorgenannte Abstandsrichtung ist die Richtung, in der ein jeweiliger Magnetfeldsensor zu dem magnetisierbaren Material, mit dem dem er wechselwirkt, beabstandet ist. Der überdeckte Teilflächenbereich ist die in dieser Richtung betrachtete Projektion des Magnetfeldsensors auf dem magnetisierbaren Material. Die Abstandsrichtung ist gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungen vorzugsweise eine Richtung parallel zur Erstreckung der Rotationsachse der Welle mit dem wechselwirkenden Wellenbereich, also axial zur Rotationsachse oder senkrecht zur Erstreckung der Rotationsachse der Welle mit dem wechselwirkenden Wellenbereich, also radial zur Rotationsachse.
Im eingangs genannten Verfahren wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass durch die Rotation wenigstens einer als mechanische Sensorkomponente verwendeten Welle der Abstand zwischen jedem von wenigstens zwei jeweils als elektrische Sensorkomponente verwendeten Magnetfeldsensoren, der jeweils vom Magnetfeld wenigstens eines den Magnetfeldsensoren zugeordneten Permanentmagneten durchsetzt wird, und einem magnetisierbares Material umfassenden Wellenbereich geändert wird, und hierbei mit jedem Magnetfeldsensor eine sich mit der Rotationsposition der wenigstens einen Welle mit der Abstandsänderung lokal ändernde Feldstärke, insbesondere richtungsspezifische Feldstärkekomponente, des am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors wirkenden Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Rotationsposition messtechnisch erfasst wird.
Sofern in der Erfindungsbeschreibung eine axiale Richtung in Bezug genommen wird, handelt es sich um eine Richtung parallel zur Erstreckung der Rotationsachse der wenigstens einen Welle, insbesondere wobei die Rotationsachsen von ggfs. zwei vorhandenen Wellen mit einem Abstand zueinander parallel liegen. Sofern in der Erfindungsbeschreibung eine radiale Richtung in Bezug genommen wird, handelt es sich zumindest um eine Richtung in einer Ebene senkrecht zur Erstreckung der Rotationsachse der wenigstens einen Welle, insbesondere wobei ein Richtungsvektor dieser radialen Richtung die Rotationsachse einer in Bezug genommenen Welle schneidet.
Die vom Messwerk angetriebene wenigstens eine Welle, deren Wellenbereich magnetisch wechselwirkend ist, kann vorzugsweise eine Welle sein, die direkt ein durch den Fluidfluß rotiertes und mit dem Fluid in Kontakt stehendes Element des Messwerks trägt, z.B. ein Verdrängerelement, wie beispielsweise ein Zahnrad oder auch ein Flügelrad. In diesem Fall ist diese Welle vom Messwerk direkt angetrieben. Es kann auch ein indirekter Antrieb vorgesehen sein.
Anders als beim genannten Stand der Technik beruht das Vermessen der Rotationswinkelposition des Messwerks bzw. zumindest einer Welle oder beider Wellen im Messwerk nicht auf der Messung an einem mit dem Messwerk rotierten Magnetfeld.
Vielmehr wird bei der Erfindung mit wenigstens einem im Gehäuse außerhalb der Messkammer ortsfest angeordneten Permanentmagneten ein Magnetfeld, insbesondere bei mehreren Permanentmagneten ein resultierendes Magnetfeld am Ort der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren erzeugt, dass zumindest insoweit als statisch, bzw. trotz Rotation des Messwerkes ruhend angesehen werden kann, als dass die Lage der Pole des erzeugten Magnetfeldes durch die Messwerkrotation nicht geändert wird, insbesondere da die Pole in dem wenigstens einen Permanentmagneten liegen und dieser in der Vorrichtung auch bei einer Rotation des Messwerkes in Ruhe bleibt.
Weiterhin ist der wenigstens eine Permanentmagnet bei der Erfindung nicht Teil des Messwerkes und trägt somit zu dessen zu bewegender Masse nicht bei. Das erfindungsgemäße Messwerk kann somit mit weniger Massenträgheit ausgebildet werden, als es im Stand der Technik der Fall ist. Dadurch kann ein leichteres Anlaufen des Messwerkes, insbesondere bei kleinen Volumenströmen erzielt werden.
Da das zu vermessende Magnetfeld selbst nicht mit dem Messwerk mitrotiert, sind Bremsmomente, die auf das Messwerk wirken können, gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert, wenn nicht gar vollständig eliminiert.
Das Messprinzip und die magnetische Wechselwirkung bei der Erfindung beruhen darauf, dass das am Ort der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren mit dem wenigstens einen Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld, wenngleich es nicht mit der Rotation des Messwerkes rotiert, so doch durch die Rotation des Messwerkes und die dadurch bewirkte Rotation des wenigstens einen magnetisierbaren Wellenbereichs beeinflußt wird und diese Beeinflussung von dem jeweiligen Magnetfeldsensor messtechnisch erfasst wird. Es kann so mit jedem der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren ein von der Beeinflussung abhängiges elektrisches Signal gebildet werden, welches von der Rotationswinkelposition des einen oder des jeweiligen wechselwirkenden Wellenbereichs abhängt, da sich die Beeinflussung mit dieser Winkelposition der Welle, bzw. des Wellenbereichs ändert.
Eine Beeinflussung kann sich erfindungsgemäß z.B. dadurch ergeben, dass durch die Magnetisierbarkeit des wenigstens einen Wellenbereichs aufgrund des in diesem Bereich vorgesehenen magnetisierbaren Materials, insbesondere welches dem jeweiligen Magnetfeldsensor, mit dem es wechselwirkt, ggfs. den wenigstens zwei oder genau zwei Magnetfeldsensoren getrennt durch eine Messkammerwandung gegenüberliegt, und durch die mit der Rotation sich ergebende Abstandsänderung des magnetisierbaren Materials, insbesondere der Oberfläche des wechselwirkenden Wellenbereichs zu dem jeweiligen Magnetfeldsensor eine Änderung des von dem wenigstens einen Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldes am Ort des Magnetfeldsensors ergibt, insbesondere dadurch, dass das magnetisierbare Material des Wellenbereichs je nach Rotationswinkelposition mehr oder weniger weit in das erzeugte Magnetfeld eindringt, vorzugsweise dadurch, dass die Oberfläche des wechselwirkenden Wellenbereichs, insbesondere der darauf liegende, vom Magnetfeldsensor (in der Projektion) überdeckte Teilflächenbereich, mehr oder weniger weit vom dem wenigstens einen das Magnetfeld erzeugenden Permanentmagneten entfernt ist, also sich die Entfernung mit der Rotation ändert.
Um eine Magnetisierbarkeit des wenigstens einen Wellenbereichs zu erzeugen, kann es zum Beispiel vorgesehen sein, dass der Wellenbereich, vorzugsweise zumindest dessen Oberfläche, auf der die Magnetfeldsensorprojektion liegt, bevorzugt vollständig, insbesondere vollständig über den Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse, aus einem magnetisierbaren Material ausgeführt ist. Es kann auch die gesamte Welle aus einem magnetisierbaren Material ausgeführt sein.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass der Wellenbereich, insbesondere dessen Oberfläche nur bereichsweise aus einem magnetisierbaren Material ausgebildet ist. Z.B. kann magnetisierbares Material in einem radialen Abstand zur Rotationsachse und in Umfangsrichtung betrachtet über volle 360 Grad ersteckt, also ringförmig, oder auch nur bereichsweise an oder in nicht magnetisierbarem Material der Welle bzw. des Wellenbereichs angeordnet sein, z.B. in nicht magnetisierbares Material des Wellenbereichs oder dessen Oberfläche eingebettet sein.
Die Welle kann somit, insbesondere bis auf den wechselwirkenden Wellenbereich, der mit wenigstens einem Magnetfeldsensor magnetisch wechselwirkt, auch aus einem nicht magnetisierbaren Material ausgebildet sein, z.B. einer Keramik. Die Wellenoberfläche kann damit auch gleichzeitig eine der Lagerflächen eines Gleitlagers bilden, welches die jeweilige Welle mit einem wechselwirkenden Wellenbereich lagert.
Als magnetisierbares Material kann vorzugsweise ein weichmagnetisches Material gewählt werden, z.B. ein Stahl, vorzugsweise ein magnetisierbarer Edelstahl. Als weichmagnetisches Material kann grundsätzlich ein Metall eingesetzt werden, z.B. massiv, als gebundenes Pulver, Blech, kristallines oder amorphes Band. Ebenso können keramische ferritische Materialien eingesetzt werden. Die metallischen Materialien umfassen vorzugsweise ferromagnetische Metallen wie z.B. Eisen oder Cobalt oder Nickel, vorzugsweise als kristalline Legierung, amorphe Legierungen oder nanokristalline Legierung. Keramische Materialien umfassen vorzugsweise Ferrite auf Basis von Metalloxiden z.B. aus Mangan-Zink (MnZn) oder Nickel-Zink.
Unter einem magnetisierbaren Material im Sinne der Erfindung wird ein solches Material verstanden, welches nicht selbst magnetisch ist, insbesondere also zumindest ursprünglich bei Abwesenheit des Magnetfeldes des wenigstens einen genannten Permanentmagneten nicht selbst ein Magnetfeld erzeugt. Sofern das magnetisierbare Material eine Remanenz haben sollte, ist diese für das Messprinzip bei der Erfindung unbeachtlich, da das Material aufgrund der ständigen Anwesenheit des wenigstens einen Permanentmagneten in der Vorrichtung ständig magnetisiert bleibt und bei der Rotation die magnetischen Momente im Material immer bzgl. des vom Permanentmagneten erzeugten Feldes ausgerichtet bleiben, die magnetischen Momente im Material also nicht mit der Rotation des Wellenbereichs mitrotieren. Vorzugsweise hat somit das magnetisierbare Material in der Vorrichtung unter der Wirkung des wenigstens einen anwesenden Permanentmagneten keine eigene, von dem wenigstens einen Permanentmagneten unabhängige Magnetisierung, die sich dem Magnetfeld des wenigstens einen Permanentmagneten überlagern würde.
Die Änderung des Magnetfeldes kann z.B. in einer möglichen Ausführung darin bestehen, dass die Feldstärke hinsichtlich ihres absoluten Betrages am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors geändert wird, z.B. durch winkelabhängige Bündelung oder Entbündelung der Feldlinien und/oder dass die Richtung des magnetischen Feldes abstandsabhängig variiert wird. Z.B. führen weichmagnetische Materialen zu einer Konzentrierung der Feldlinien und so zu einer Verstärkung des sie dursetzenden Magnetfeldes.
Die Beeinflussung des Magnetfeldes am Ort eines jeden der verwendeten wenigstens zwei Magnetfeldsensoren kann z.B. allgemein so verstanden werden, dass das Magnetfeld am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors rotationswinkelabhängig verzerrt wird, insbesondere wobei unter einer Verzerrung eine Richtungsänderung der Magnetfeldlinien, somit des Magnetfeldvektors und/oder auch eine Änderung der absoluten Magnetfeldstärke in allen oder nur einer Richtungskomponente verstanden werden kann.
Dies erschließt weiterhin die Möglichkeit, dass als Magnetfeldsensoren verschiedene Typen, bzw. Sensoren mit verschiedenen Messprinzipien eingesetzt werden können. Insbesondere kann es vorgesehen sein, einen jeweiligen Magnetfeldsensor so auszuwählen, dass dieser geeignet ist, die Feldstärke am Ort des Sensors, bzw. dessen sensitiven Bereiches hinsichtlich zumindest wenigstens einer vorbestimmten Feldrichtung zu erfassen. Geeignet sind z.B. typische Sensoren, die auf dem Hall-Effekt beruhen oder auch Sensoren des GMR-, TMR-, AMR-, EMR-, CMR- oder GMI-Messprinzips, die jeweils in Fachkreisen als bekannt anzusehen sind. Die Erfindung hat somit den Vorteil auf eine Vielzahl kommerziell erhältlicher Sensoren zurückgreifen zu können. Geeignete Sensoren sind z.B. vom Typ TMR4018 der Firma MultiDimension Technology.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung ist der Einsatz von wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei Magnetfeldsensoren als jeweilige elektrische Sensorkomponente, insbesondere in der Überdeckung von Teilflächenbereichen des magnetisierbaren Materials, insbesondere der Oberfläche des wenigstens einen wechselwirkenden Wellenbereichs. Jeder Magnetfeldsensor erzeugt jeweils ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der Beeinflussung des Magnetfeldes bei der Rotation, insbesondere in Abhängigkeit von der Stärke zumindest von einer vorbestimmten Richtungskomponente des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors.
Die zu dem jeweiligen Magnetfeldsensor weisende Oberfläche, bzw. in der Abstandsrichtung dem Magnetfeldsensor gegenüberliegende Oberfläche der rotierbaren Welle in dem wechselwirkenden Bereich ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich bzgl. jedes der eingesetzten Magnetfeldsensoren der Abstand, insbesondere je nach Ausgestaltung der Erfindung betrachtet parallel oder senkrecht zur Rotationsachse der Welle, zwischen dem vom jeweiligen Magnetfeldsensor in der Abstandsrichtung auf der Oberfläche überdeckten Teilflächenbereich und dem Magnetfeldsensor mit der Rotationswinkelposition der Welle ändert, vorzugsweise, wobei zu jedem Zeitpunkt bzw. an jeder möglichen Rotationswinkelstellung des wechselwirkenden Wellenbereichs oder der wechselwirkenden Wellenbereiche der Abstand bei zumindest zwei der verwendeten, insbesondere bei allen verwendeten Magnetfeldsensoren unterschiedlich ist.
Damit ergibt es sich, dass bei jeder möglichen Rotationswinkelstellung der einen wechselwirkenden Welle oder der beiden wechselwirkenden Wellen bzw. der jeweiligen Wellenbereiche mit den wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei Magnetfeldsensoren unterschiedliche Signale gemessen werden und bei einer fortwährenden Rotation der wenigstens einen Welle die Signalverläufe der Signale von zwei verschiedenen Magnetfeldsensoren zueinander unterschiedlich, vorzugsweise phasenverschoben sind.
Die Phasenverschiebung ergibt sich z.B. um den Winkel, um den die Magnetfeldsensoren um die Rotationsachse der Welle herum beabstandet sind, sofern die genannten Magnetfeldsensoren mit demselben Wellenbereich wechselwirken. Allgemein kann sich die Phasenverschiebung um denjenigen Winkel ergeben, um den die vektoriell betrachteten Abstandsrichtungen zwei verschiedener Magnetfeldsensoren bzgl. derselben Referenzposition bei dem jeweils wechselwirkenden Wellenbereich, zueinander beabstandet sind, insbesondere sofern bei Wechselwirkung mit zwei verschiedenen Wellenbereichen diese Wellenbereiche bzgl. ihrer geometrischen oder topologischen Ausgestaltung um die jeweilige Rotationsachse herum identisch ausgebildet sind.
Anhand der Signaldifferenzen, vorzugsweise anhand der Phasenverschiebung, insbesondere deren Vorzeichen, kann auf die Drehrichtung der Welle und somit auf die Richtung des Fluidflusses in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschlossen werden. Aus dem bereits anhand nur eines der Signale festgestellten Rotationswinkel kann, insbesondere bei Einsatz wenigstens eines Verdrängerelements, vorzugsweise von zwei Verdrängerelementen, anhand des definierten Fluidvolumens, das pro Winkeleinheit, bzw. pro bestimmten Rotationswinkel durch die Vorrichtung fließen kann, auf das durchflossene Volumen oder den Volumenstrom geschlossen werden.
Die Erfindung kann in einer möglichen Ausführung vorsehen, dass der wechselwirkende Wellenbereich einer Welle durch das axiale Wellenende der Welle gebildet ist und ein jeweiliger Magnetfeldsensor in der Richtung der axialen Wellenerstreckung zu dem magnetisierbaren Material des mit ihm wechselwirkenden Wellenendes beabstandet außerhalb der Messkammer angeordnet ist und in axialer Richtung betrachtet auf dem magnetisierbaren Material des Wellenendes, insbesondere auf der axialen Stirnfläche des Wellenendes einen Teilflächenbereich der gesamten Fläche überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor variabel ist. Die eingangs genannte Abstandsrichtung ist in dieser Ausführung der Erfindung axial, bzw. parallel zur Rotationsachse der Welle mit dem wechselwirkenden Wellenbereich.
Eine Beeinflussung des Magnetfeldes am Ort des wechselwirkenden Magnetfeldsensors ergibt sich in diesem Fall durch die Rotation der dem Magnetfeldsensor axial gegenüberliegenden Fläche des magnetisierbaren Materials, die mit dem genannten Teilflächenbereich auf der axialen Stirnfläche des Wellenendes übereinstimmen kann, sofern das magnetisierbare Material in der Stirnfläche angeordnet ist, vorzugsweise die gesamte Stirnfläche des Wellenendes aus magnetisierbarem Material ausgebildet ist.
Eine jeweilige Welle hat immer zwei Wellenenden. Das wechselwirkende Wellenende von den zwei Wellenenden ist vorzugsweise immer dasjenige, welches von beiden Wellenenden näher zum Magnetfeldsensor angeordnet ist, insbesondere also deren axiale Stirnfläche dem Magnetfeldsensor zugewandt ist.
Die Erfindung kann auch eine alternative Ausbildung des wechselwirkenden Wellenbereiches vorsehen, bei welcher dieser durch einen sich in Umfangsrichtung um die Rotationsachse der Welle erstreckenden Bereich gebildet ist, in dem das magnetisierbare Material um die Rotationsachse ungleichmäßig verteilt ist. In diesem Fall überdeckt ein jeweiliger Magnetfeldsensor in radialer Richtung zur Rotationsachse betrachtet auf dem magnetisierbaren Material des Wellenbereichs, insbesondere auf der radialen Mantelfläche des Wellenbereichs einen Teilflächenbereich, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor variabel ist. In dieser Ausführung ist die eingangs genannte Abstandsrichtung somit radial zur Rotationsachse der Welle mit dem wechselwirkenden Bereich.
Ein jeweiliger Magnetfeldsensor, insbesondere dessen Mitte, liegt dabei vorzugsweise radial beabstandet zur Rotationsachse an einer axialen Position relativ zur Rotationsachse, welche auch der axialen Position des wechselwirkenden Wellenbereiches, insbesondere dessen Mitte, auf der Welle entspricht.
Vorzugsweise kann das magnetisierbare Material an oder in dem wechselwirkenden Wellenbereich einen zur Rotationsachse exzentrischen Ring bilden. Dieser kann gebildet sein aus einer Scheibe aus magnetisierbarem Material, die eine zum Scheibenmittelpunkt exzentrische Bohrung aufweist, die von der Welle durchsetzt ist. Es ergibt sich so die ungleichmäßige Verteilung um die Rotationsachse durch die Exzentrizität des Ringes zu dieser, insbesondere so dass der Scheibenmittelpunkt um die Rotationsachse rotiert.
Das Material kann auch in der Art eines Nocken um die Rotationsachse verteilt angeordnet sein.
In dieser genannten Ausführung können auf einer einzigen Welle, insbesondere die eine von zwei Wellen im Meßwerk ist, auch zwei wechselwirkende Wellenbereiche vorgesehen sein, die axial direkt ohne Abstand nebeneinander liegen oder auch axial beabstandet sind.
Die Erfindung kann ein Messwerk mit nur einer rotierenden Welle aufweisen, z.B. bei Messwerken mit einem Flügelrad oder auch bei Vorrichtungen mit nur einem rotierten Verdrängerelement. Die Vorrichtung kann ebenso im Messwerk zwei in Eingriff stehende Verdrängerelemente aufweisen, insbesondere zwei Zahnräder oder zwei Schraubenspindeln. In diesem Fall hat das Messwerk der Vorrichtung zwei bei einem Fluidfluss rotierende Wellen, insbesondere nämlich die jeweilige Welle, welche eines der beiden Verdrängerelemente trägt.
Die Erfindung kann in einer möglichen bevorzugten ersten Ausführung vorsehen, dass die wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Magnetfeldsensoren mit demselben Wellenbereich einer Welle, insbesondere dem Wellenbereich einer einzigen Welle oder nur dem Wellenbereich einer von zwei Wellen wechselwirkend sind, insbesondere so, dass sich mit der Rotation eine variierende Beeinflussung der Messwerte der Magnetfeldsensoren ergibt.
In einer Vorrichtung dieser ersten Ausführung mit zwei Wellen rotiert zwar die andere Welle auch, hat aber vorzugsweise keine oder bei der Rotation eine immer gleiche Wechselwirkung mit den Magnetfeldsensoren, vorzugsweise die keine mit der Rotation variierende Messwertänderung bewirkt. Eine Beeinflussung der Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit der Rotation ergibt sich somit nur hinsichtlich des Wellenbereichs einer der beiden Wellen.
In dieser ersten Ausführungsform kann es z.B. vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Magnetfeldsensoren, die mit demselben Wellenbereich wechselwirkend sind, in jeweils verschiedener radialer Richtung beabstandet zur Rotationsachse dieser Welle außerhalb der Messkammer angeordnet sind und von den Magnetfeldsensoren jeweils ein anderer Teilflächenbereich auf der Oberfläche des einen Wellenbereichs überdeckt ist.
Die Winkelbeabstandung zwischen zwei Magnetfeldsensoren um die Rotationsachse dieser einen Welle betrachtet in der Rotationsrichtung definiert dabei die Größe der Phasenverschiebung der Messsignale dieser beiden Magnetfeldsensoren zueinander. Da alle Magnetfeldsensoren mit demselben Wellenbereich wechselwirken, haben die Messwerte der Sensoren vorzugsweise einen formgleichen, insbesondere bis auf eine Skalierung gleichen Verlauf und bevorzugt einen identischen Verlauf.
Die Erfindung kann in einer möglichen zweiten Ausführung bei einer Vorrichtung mit zwei Wellen / zwei Verdrängerelementen auch vorsehen, dass von den wenigsten zwei Magnetfeldsensoren eine erste Magnetfeldsensorgruppe mit dem Wellenbereich der einen Welle und eine zweite Magnetfeldsensorgruppe mit dem Wellenbereich der anderen Welle magnetisch wechselwirkt. Die jeweiligen Gruppen umfassen dabei jeweils wenigstens einen Magnetfeldsensor, insbesondere jeweils genau einen, wenn die Gesamtanzahl aller Magnetfeldsensoren gleich zwei ist.
Bei der zweiten Ausführung können in der Vorrichtung somit z.B. genau zwei Magnetfeldsensoren eingesetzt sein. Hier kann es vorgesehen sein, dass die Magnetfeldsensoren in unterschiedlicher radialer Richtung von der Rotationsachse der Welle des jeweils wechselwirkenden Wellenbereichs radial beabstandet sind, insbesondere wobei die Wellenbereiche beider Wellen, insbesondere hinsichtlich der Stirnflächen- oder Mantelflächengeometrie oder -topologie, identisch ausgebildet sind.
Vorzugsweise kann die erste und auch zweite Ausführung sowohl bei einer Wechselwirkung mit magnetisierbarem Material in/an einem Stirnflächenbereich des Wellenendes als auch am / im Mantelflächenbereich der Welle vorgesehen sein.
Eine dritte Ausführung kann vorsehen, dass von den wenigstens zwei Magnetfeldsensoren eine erste Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit einem ersten Wellenbereich einer Welle, insbesondere einer von zwei Wellen und eine zweite Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit einem zweiten Wellenbereich derselben Welle wechselwirkend ist.
Vorzugsweise ist diese Ausführung vorgesehn, wenn die jeweiligen Wellenbereiche solche sind, in denen das magnetisierbare Material um die Roatationsachse der einen Welle ungleichmäßig verteilt angeordnet ist, vorzugsweise die Wechselwirkung mit dem magnetisierbaren Material in / an der Mantelfläche der Welle in dem jeweiligen Wellenbereich stattfindet. Unter der Mantelfläche wird dabei allgemein die Fläche verstanden, die sich mit einem radialen Abstand, insbesondere hier variierenden radialen Abstand, in Umfangsrichtung um die Rotationsachse ergibt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Ausführung sind die Wellenbereiche, insbesondere Wellenenden / die Stirnflächen bzw. die Mantelflächen in ihrer bevorzugt identischen Geometrie / Topologie jeweils bzgl. einer Spiegelebene, welche die Rotationsachse umfasst, spiegelsymmetrisch ausgeführt. Ausgehend von einer Referenzposition, in welcher die beiden Spiegelebenen parallel liegen, ergibt es sich, dass durch die radiale Beabstandung der Magnetfeldsensoren in verschiedenen radialen Richtungen, die Magnetfeldsensoren zueinander phasenverschobene Signale erzeugen, insbesondere das Signal eines zweiten Magnetfeldsensors zum Signal eines ersten Magnetfeldsensors um einen Winkel phasenverschoben ist, der dem Winkelabstand beider Richtungsvektoren betrachtet in der Drehrichtung der zweiten Welle entspricht, deren Wellenbereich mit dem zweiten Sensor wechselwirkt.
Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Wellenbereiche beider Wellen hinsichtlich der Oberflächengeometrie /-topologie identisch, insbesondere mit der zuvor genannten Spiegelsymmetrie, ausgebildet und mit einer Winkeldifferenz ihrer Rotationsstellungen, insbesondere Winkeldifferenz der Ausrichtung ihrer Spiegelebenen in einer Referenzposition relativ zueinander orientiert sind, insbesondere wobei die Magnetfeldsensoren in gleicher oder entgegengesetzter radialer Richtung von der Rotationsachse der Welle des jeweils wechselwirkenden Wellenbereichs radial beabstandet sind. In diesem Fall ergibt sich die Phasenverschiebung gemäß der Winkeldifferenz bei den Wellenbereichen und das Vorzeichen der Phasenverschiebung in Abhängigkeit von den Richtungen der Beabstandung der Magnetfeldsensoren zu den Wellen / Rotationsachsen.
Als weitere Alternative können die Wellenbereiche auch unterschiedlich geometrisch geformt sein. In diesem Fall ergibt sich ein jeweils charakteristischer Signalverlauf der Signale der Magnetfeldsensoren bzw. auch ein charakteristischer Signalverlauf der Differenz von Signalen zweier Magnetfeldsensoren.
Um mit der Rotation der Welle unterschiedliche Abstände des magnetisierbaren Materials im / am Wellenende, insbesondere an/in der Wellenstirnfläche zum jeweiligen Magnetfeldsensor zu realisieren, können verschiedene Ausbildungen des Wellenendes vorgesehen sein. Dies wird allgemein schon dadurch erreicht, dass die mit dem Magnetfeld wechselwirkende axiale Stirnfläche des Wellenendes über ihren gesamten Durchmesser betrachtet nicht, zumindest nicht ausschließlich in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse orientiert ist, insbesondere, sofern das magnetisierbare Material in / an oder zumindest angrenzend an die Stirnfläche angeordnet ist, vorzugsweise die Stirnfläche aus magnetisierbarem Material über den gesamten Stirnflächenquerschnitt ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist ein wechselwirkender Wellenbereich, insbesondere das Wellenende, z.B. dessen axiale zu den Magnetfeldsensoren weisende Stirnfläche, oder um die Rotationsachse ungleichmäßig Verteilung von magnetisierbarem Material so ausgebildet, dass sich bezogen auf eine vollständige Umdrehung der Welle um 360 Grad keine zwei gleichen Messwertpaarungen bei den wenigstens zwei Magnetfeldsensoren ergeben. Dabei soll der Begriff der Paarung nicht auf eine Anzahl von zwei Messwerten beschränkend verstanden werden, sofern mehr als zwei Magnetfeldsensoren eingesetzt sind. Hierdurch wird erzielt, dass aus den aufgenommenen Messwerten auf eine jeweils vorliegende absolute Rotationswinkelposition geschlossen werden kann, da die Position für jede mögliche Messwerte-Paarung eindeutig ist.
Wie zu den vorherigen Ausführungen beispielhaft genannt, kann allgemein ein wechselwirkender Wellenbereich, z.B. eine Stirnfläche oder Mantelfläche so ausgebildet sein, dass er/sie um eine Spiegelebene, welche die Rotationsachse dieser Welle umfasst, spiegelsymmetrisch ist.
In einer bevorzugten Ausführung kann es die Erfindung vorsehen, dass bei wechselwirkendem Wellenende die axiale Stirnfläche des Wellenendes als insgesamt in einer einzigen Ebene plane Fläche ausgebildet ist, wobei die Ebene nicht senkrecht zur Rotationsachse der Welle orientiert ist, vorzugsweise in einem Winkel von 10 bis 80 Grad, bevorzugt 30 bis 60 Grad, besonders bevorzugt in einem Winkel von 45 Grad zur Rotationsachse orientiert ist. Diese Ausführung ist insoweit besonders bevorzugt, weil sich durch die Rotation ein sinusförmiger Signalverlauf des vom jeweiligen Magnetfeldsensor erzeugten Signales generieren lässt, insbesondere dessen weitere Auswertung hinsichtlich der zum Signal korrelierten Winkelstellung besonders einfach ist. Besonders diese Ausführung ist geeignet, auf die absolute Rotationswinkelposition zu schließen. Diese Ausführung weist auch die genannte Spiegelsymmetrie auf.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die axiale Stirnfläche des Wellenendes als gestufte Fläche ausgebildet ist mit wenigstens zwei Stufen von in axialer Richtung unterschiedlichen Höhen, vorzugsweise wobei sich jede Stufe um die Rotationsachse über einen Winkelbereich von 360 Grad/n mit n = Anzahl der Stufen erstreckt. Hierdurch kann ein sich mit der Winkeländerung stufenweise änderndes Signal an jedem Magnetfeldsensor erzeugt werden. Vorzugsweise kann jede Stufenänderung einem bestimmten festen Winkelbetrag der Rotation zugeordnet sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die axiale Stirnfläche des Wellenendes, insbesondere betrachtet im Querschnitt parallel zur Rotationsachse, in einer ersten Richtung senkrecht zur Rotationsachse stetig oder in Stufen gekrümmt ist und in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung keine Krümmung aufweist, oder dass die axiale Stirnfläche, insbesondere betrachtet im Querschnitt parallel zur Rotationsachse, wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei plane Teilflächen mit unterschiedlichem Winkel ungleich 90 Grad zur Rotationsachse aufweist. Die Winkel beider Teilflächen zur Rotationsachse können im Betrag gleich sein und sich nur im Vorzeichen unterscheiden. Die Ausführung kann die genannte Spiegelsymmetrie aufweisen, muss sie aber nicht zwingend.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Welle wenigstens einen sich durch die gesamte Welle, vorzugsweise in axialer Richtung hindurch erstreckenden Kanal aufweist, mit dem Messkammerbereiche an beiden Wellenenden fluidisch verbunden sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass durch die Ausführung als Hohlwelle Material und somit bewegte Masse am Messwerk eingespart wird und zum anderen auch, dass zwei an beiden Wellenenden der Welle angeordnete fluidgefüllte Toträume der Vorrichtung durch den Kanal fluidisch verbunden sind, insbesondere wodurch ein Druckausgleich zwischen diesen Toträumen erzielt werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das die Welle antreibende Verdrängerelement, bzw. die Welle gleitgelagert ausgeführt ist, da mit dieser Ausführung sodann eine axiale Verschiebung der Welle durch Druckdifferenzen vermieden werden kann.
Die Erfindung kann vorsehen, sofern zwei in Eingriff stehende, z.B. kämmende Verdrängerelemente vorgesehen sind, dass die Wellen beider Verdrängerelemente hohl, insbesondere mit jeweils mit einem sich vollständig durch die Welle hindurch erstreckenden Kanal ausgeführt sind.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei dieser Ausführung einer Welle mit Kanal jeder Magnetfeldsensor, insbesondere zumindest dessen das Magnetfeld sensierender Bereich, sofern dieser mit dem Wellenden wechselwirkt, nicht, vorzugsweise auch nicht bereichsweise den Kanalquerschnitt überdeckt. Somit liegt die axiale Projektion zumindest des sensitiven Bereiches des jeweiligen Magnetfeldsensors vollständig auf dem Material der Wellenstirnfläche, insbesondere die in der axialen Projektion betrachtet ringförmig ist.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren, insbesondere die genau zwei Magnetfeldsensoren, die mit demselben Wellenbereich wechselwirken, bezüglich der Rotationsachse der Welle in einem Winkelabstand von 90 Grad zueinander und in einen vorbestimmten, vorzugsweise identischen radialen Abstand zur Rotationsachse angeordnet sind. So können um 90 Grad phasenverschobene Signale von den Magnetfeldsensoren erzeugt werden, was weiterhin besonders vorteilhaft ist, wenn das erzeugte Signal sinusförmig verläuft. Allgemein können die Magnetfeldsensoren um die Rotationsachse herum jeden gewünschten Winkelabstand ungleich 0 Grad aufweisen um eine Phasenverschiebung mit diesem Winkelabstand zu erzielen.
Allgemein kann es vorgesehen sein, insbesondere, wenn die Magnetfeldsensoren mit verschiedenen Wellenbereichen, z.B. Wellenenden zusammenwirken, dass die Richtungsvektoren der Richtungen der radialen Beabstandung der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren von der Rotationsachse der Welle des mit ihnen jeweils wechselwirkenden Wellenbereichs bzgl. einer identischen Referenzwinkelposition bei beiden Wellenbereichen in einem Winkel α, von z.B. 90 Grad, zueinander angeordnet sind, um eine Phasenverschiebung der Signale von α Grad zueinander zu erzeugen. Die jeweilige Referenzwinkelposition kann z.B. an dem Ort beider Wellenbereiches liegen, der einen festgelegten, z.B. jeweils den geringsten Abstand zum Magnetfeldsensor hat, insbesondre sofern beide Wellenbereiche bzgl. Geometrie / Topologie identisch sind.
In der Ausführung der Wechselwirkung mit nur einem Wellenbereich oder mehreren Wellenbereichen an verschiedenen Wellen ist besonders bevorzugt die Anordnung aller Magnetfeldsensoren in derselben Ebene vorgesehen, vorzugsweise einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse der wenigstens einen Welle.
Bei einer Ausführung der Wechselwirkung mit verschiedenen Wellenbereichen an derselben Welle ist vorzugsweise die Anordnung der Magnetfeldsensoren so, dass diese in demselben radialen Abstand und in axialer Richtung hintereinanderliegend angeordnet sind.
Die Erfindung sieht es zur Erzeugung des zumindest im Wesentlichen statischen Magnetfeldes und nur lokal beeinflussten Magnetfeldes vor, dass wenigstens ein Permanentmagnet eingesetzt wird, insbesondere genau ein Permanentmagnet.
Dieser kann so angeordnet sein, dass er beide bzw. alle Magnetfeldsensoren gleichzeitig, bei Betrachtung in der jeweils vorliegenden Abstandsrichtung, z.B. in Richtung oder senkrecht zur Rotationsachse der wenigstens einen Welle, zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig überdeckt, die Sensoren also innerhalb der in Abstandsrichtung betrachteten Projektion des Permanentmagneten liegen, vorzugsweise bei axialer Abstandsrichtung der Permanentmagnet aber nicht von der Rotationsachse der Welle geschnitten wird, also vollständig radial außerhalb von dieser liegt, zumindest bzgl. der Rotationsachse derjenigen Welle mit dem wechselwirkenden Wellenende. Ein solcher einziger Permanentmagnet kann vorzugsweise so ausgebildet sein, dass dessen Pole in der Richtung der Beabstandung der Magnetfeldsensoren beabstandet sind. Vorzugsweise ist jeder von genau zwei Magnetfeldsensoren von einem der beiden Pole überdeckt, insbesondere betrachtet in der eingangs genannten, zur jeweiligen Erfindungsausführung vorliegenden Abstandsrichtung. Insbesondere wird dadurch erzielt, dass die Feldliniendichte am Sensorort jeweils besonders hoch ist.
Die Erfindung kann auch vorsehen, dass jedem Magnetfeldsensor ein eigener Permanentmagnet zugeordnet ist. In diesem Fall kann vorzugsweise jeder Permanentmagnet im obigen Sinne den zugeordneten Magnetfeldsensor überdecken, also jeder Magnetfeldsensor liegt vorzugsweise innerhalb der axialen Projektion des ihm zugeordneten Permanentmagneten, insbesondere betrachtet in der eingangs genannten, zur jeweiligen Erfindungsausführung vorliegenden Abstandsrichtung. Vorzugsweise kann ein geometrischer Mittelpunkt eines jeweiligen Permanentmagneten in der Abstandsrichtung fluchtend, insbesondere also axial oder radial fluchtend zum sensitiven Bereich, insbesondere dem Mittelpunkt des sensitiven Bereichs, des zugeordneten Magnetfeldsensors angeordnet sein.
Bei einer solchen Ausführung mit jedem Magnetfeldsensor jeweils zugeordneten Permanentmagneten kann die Erfindung vorsehen, dass die, insbesondere in Rotationsrichtung oder in axialer Richtung nebeneinanderliegenden, verschiedenen Permanentmagnete alternierend polarisiert sind, insbesondere jeweils relativ zur Rotationsachse axial oder radial polarisiert sind, insbesondere also die Pole jedes Magneten in Richtung der Rotationsachse der Welle oder radial beabstandet sind.
Vorzugsweise wird keiner der Permanentmagnete von einer Rotationsachse gekreuzt, was sich in dieser bevorzugten Anordnung bei einer Wechselwirkung mit einem Wellenende schon dadurch ergeben kann, wenn vorzugsweise die (radialen) Querschnitte der Magnete kleiner sind als die 2-fache radiale Beabstandung der Magnetfeldsensoren zur (jeweiligen) Rotationsachse.
Insbesondere bei genau zwei Magnetfeldsensoren und zwei jeweils zugeordneten Permanentmagneten ergänzen sich die Magneten zu einem geschlossenen magnetischen Kreis, in welchem auch die Sensoren liegen und verstärken einander.
Die vorgenannten Ausführungen sind besonders bevorzugt gewählt, wenn alle Magnetfeldsensoren mit demselben Wellenbereich, vorzugsweise demselben Wellenende zusammenwirken.
Wenigstens einer der Magnetfeldsensoren, insbesondere alle Magnetfeldsensoren und der jeweils zugeordnete Permanentmagnet können vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten einer den oder die Magnetfeldsensoren tragenden Platine angeordnet sein, vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten einer den oder die Magnetfeldsensoren und den jeweils zugeordneten Permanentmagneten tragenden Platine angeordnet sein. Hierdurch kann der jeweilige Magnetfeldsensor besonders nah an einen der Pole des zugeordneten Permanentmagneten angeordnet werden, insbesondere beabstandet nur durch die Platinendicke. Der zugeordnete Permanentmagnet kann für alle oder einige mehrere Magnetfeldsensoren derselbe sein, insbesondere kann der zugeordnete Magnet auch für jeden Magnetfeldsensor ein anderer sein.
Die Erfindung kann vorzugsweise weiterhin vorsehen, dass der wenigstens eine wechselwirkende Wellenbereich und wenigstens ein Magnetfeldsensor, vorzugsweise die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren beidseits eines nicht magnetischen und nicht magnetisierbaren Verschlußelementes angeordnet sind, mit dem die Messkammer verschlossen ist. Dieses Verschlußelement kann z.B. durch Schweißen, Löten oder Kleben oder Verschrauben dicht mit der Messkammer verbunden sein, vorzugsweise eine Öffnung verschließen, durch die hindurch die Messkammer zumindest mit der Welle bestückt werden kann, deren Ende mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren wechselwirkt.
Eine solches Verschlußelement kann eine Platte oder auch ein Topf oder eine Tauchhülse sein, der/die in das Fluid in der Messkammer eintaucht und in sich den wenigstens einen Magnetfeldsensor, insbesondere auch den zugeordneten Permanentmagneten aufnimmt.
Eine bevorzugte Ausführung sieht es vor, dass das Messwerk zwei in Eingriff miteinander stehende Verdrängerelemente aufweist, die jeweils um eine eigene Rotationsachse drehbar sind, wobei beide Rotationsachsen mit einem Abstand parallel liegen und wobei um die Rotationsachse jedes der Verdrängerelemente eine von Verdrängerelement angetriebene Welle angeordnet ist, insbesondere die Welle das Verdrängerelement direkt trägt, und wenigstens eine der Wellen einen magnetisch wechselwirkenden Wellenbereich, z.B. ein Wellenende aufweist.
Die Erfindung kann - wie zuvor erwähnt - auch vorsehen, dass bei Verwendung von zwei Verdrängerelementen im Messwerk jedes Verdrängerelement seine ihm zugeordnete Welle in Rotation versetzt und jede dieser beiden Wellen einen Wellenbereich aufweist, der mit wenigstens einem von wenigstens zwei Magnetfeldsensoren magnetisch wechselwirkt, vorzugsweise mit genau einem von genau zwei Magnetfeldsensoren wechselwirkt.
In diesem Fall ist die Anordnung vorzugsweise so gewählt, dass die Magnetfeldsensoren, wie eingangs beschrieben, zueinander phasenverschobene Signale erzeugen bei der Rotation der beiden synchron rotierenden Wellen.
Diese verschiedenen Anordnungen mit nur einem oder zwei wechselwirkenden Wellenbereichen ermöglichen Bauraumanforderungen flexibel zu berücksichtigen.
Besonders bevorzugt sind die Verdrängerelemente als miteinander kämmende Zahnräder ausgebildet, können aber auch als Ovalräder oder Schraubenspindeln ausgebildet sein. Grundsätzlich ist auch eine Ausführung der Vorrichtung als Flügelradzähler möglich, in welcher das Flügelrad die eine Welle mit dem magnetisch wechselwirkenden Wellenende antreibt.
Bevorzugte Ausführungen werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
Die 1 verdeutlicht zunächst schematisch das Arbeitsprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens basierend auf einem Messwerk mit Verdrängerelementen.
Gemäß 1 sind die beiden Verdrängerelemente als Zahnräder 1a und 1b ausgebildet. Diese sind miteinander kämmend in Eingriff, jeweils auf einer Welle 2a bzw. 2b angeordnet und befinden sich in einer Messkammer 3, in der auch die Wellen 2a, 2b drehbar um ihre jeweiligen Rotationsachsen gelagert sind.
Die Messkammer 3 weist einen Fluideingang 3a und einen Fluidausgang 3b auf, die durch die Verdrängerelemente 1a und 1b getrennt sind.
Zwischen jedem der Verdrängerelemente 1a und 1b sowie der radial darum herum liegenden Messkammerwand 3c und den hier nicht gezeigten axial über und unter den Verdrängerelementen liegenden Messkammerwänden werden in Umfangsrichtung um jedes Verdrängerelement mehrere Verdrängerräume 1c gebildet, hier konkret durch jeden Zahnzwischenraum 1c. Bei der Strömungsrichtung gemäß der Pfeile am Ein- und Ausgang erfolgt eine Rotation der Verdrängerelemente 2a, 2b gemäß der dort durch Pfeile gezeigten Drehrichtungen. Es wird somit in jedem Verdrängerraum mit einem bestimmten und bekannten Volumen V_1c das Fluid vom Eingang zu Ausgang transportiert.
Zwischen den kämmenden Verdrängerelementen 1a, 1b wird weiterhin jeweils zwischen einem Zahn z.B. des Verdrängerelementes 1a und einen Zahnzwischenraum z.B. des Verdrängerelementes 1b eine Kavität 1d gebildet, die ebenso ein bestimmtes, im Verfahren bekanntes Volumen V_1d aufweist. In dieser mit jedem neuen Eingriff neu gebildeten Kavität 1d wird Fluid vom Ausgang zum Eingang zurückgeführt. Es ergibt sich somit mit jeder Rotation um einen Winkel, welcher dem Winkelabstand zwischen benachbarten Zähnen entspricht ein gefördertes Volumen von V = 2×V_1c - V_1d.
Bei anstehender Druckdifferenz zwischen Fluideingang 3a und -ausgang 3b wird somit das Fluid 4 unter Rotation der Verdrängerelemente 1a, 1b durch die Vorrichtung hindurchgefördert. Dabei setzt das strömende Fluid 4 das Messwerk in Rotation. Über wenigstens eine der mitrotierten Wellen 2a oder 2b wird die Rotation messtechnisch erfasst, so dass die Menge des Fluids anhand des bekannten Volumens V und des bei der Rotation überstrichenen Winkels, welcher gemessen wird, ermittelt werden kann.
Die 2 zeigt in einer technisch konkretisierteren Form eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art in einer zur 1 um 90 Grad verkippten Schnittebene. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 5 auf, hier mit einem Gehäuseunterteil 5a und einem Gehäuseoberteil 5b sowie einem Gehäuseaufsatz 5c. Im Gehäuse 5 ist zwischen Unterteil 5a und Oberteil 5b die Messkammer 3 ausgebildet mit Fluideingang 3a und Fluidausgang 3b, sowie den Verdrängerelementen 1a, 1b, von denen in 2 nur eines zu erkennen ist. Die Messkammer 3 ist vom Fluid durchströmt. In dem Gehäuseaufsatz ist der „trockene“ Teil der Vorrichtung untergebracht, insbesondere die Magnetfeldsensoren 6 und der wenigstens eine Permanentmagnet 7, die hier von einer gemeinsamen Platine 8 auf sich gegenüberliegenden Seiten der Platine 8 getragen werden. Dieser Gehäuseaufsatz 5c bildet somit eine Sensorabdeckung der Vorrichtung.
Die 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung in wiederum anderer Schnittebene der Vorrichtung. In dieser Ausführung ist eine magnetische Wechselwirkung des Wellenbereiches am Wellenende 2c nur einer der beiden Wellen, nämlich der Welle 2a vorgesehen.
Erkennbar ist hier, dass die hier linke Welle 2a des Verdrängerelementes 1a ein freies, hier oberes Wellenende 2c aufweist, insbesondere das hier jenseits beider Wellenlager angeordnet ist. Diese Wellenende 2c bildet in der Vorrichtung die (hier einzige) mechanische Sensorkomponente, die mit zwei elektrischen Sensorkomponenten 6 in magnetischer Wechselwirkung steht. Dabei umfasst jede elektrische Sensorkomponente einen Magnetfeldsensor 6, der jeweils an der Unterseite der Platine 8 angeordnet ist, welche zum Wellenende 2c weist. Auf der vom Wellenende 2c abgewandten Seite der Platine 8 weist diese Vorrichtung für jeden Magnetfeldsensor 6 einen zugeordneten Permanentmagneten 7 auf, der in axialer Richtung der Rotationsachsen der Wellen 2a, 2b den jeweils zugeordneten Magnetfeldsensor überdeckt.
Die Abstandsrichtung, also die Richtung der Beabstandung von Magnetfeldsensor zum wechselwirkenden Wellenbereich, hier dem Wellenende 2c ist axial bzgl. der Rotationsachse 2d.
Im Abstandsbereich zwischen dem wechselwirkenden Wellenende 2c und den Magnetfeldsensoren 6 ist die Messkammer 3 durch ein Verschlußelement 3c verschlossen, das vorzugsweise nicht magnetisierbar ist.
Die 4 zeigt eine axiale Ansicht der Anordnung, aus der erkennbar ist, dass die Magneten 7 die Sensoren 6 in der Projektion vollständig überdecken und dass die Sensoren 6 und Magneten 7 jeweils zur Rotationsachse 2d der Welle 2a radial beabstandet sind. Der radiale Abstand ist größer als der radiale Querschnitt der Magnete 7. Zueinander haben die Sensoren 6 und Magnete 7 hier einen Winkelabstand um die Rotationsachse 2d von 90 Grad. Dadurch wird bewirkt, dass die beiden Sensoren 6 einen zueinander um 90 Grad phasenverschobenen Signalverlauf erzeugen.
Die magnetische Wechselwirkung zwischen der einen mechanischen Sensorkomponente (2a, 2c) und den beiden elektrischen Sensorkomponenten 6 beruht nun darauf, dass sich die Sensoren 6 jeweils im Magnetfeld der Magnete 7 befinden und dieses Magnetfeld vermessen, also jeweils ein vom Magnetfeld abhängiges elektrisches Signal erzeugen.
Dieses Magnetfeld wird bei einer Rotation des Messwerks durch die Rotation des wechselwirkenden Wellenendes 2c verändert, bzw. verzerrt oder gestört.
Um dies zu bewirken weist das Wellenende 2c eine axiale Stirnfläche auf, die in dieser Ausführung eine vollständig plane Ebene ausbildet, welche unter einem Winkel quer zur Rotationsachse 2d steht, also weder senkrecht noch parallel zu dieser ist. Der Winkel kann vorzugsweise im Bereich von 10 bis 45 Grad liegen.
Das Wellenende 2c bzw. zumindest die Stirnfläche umfasst ein magnetisierbares Material bzw. ist vollständig aus einem solchen ausgebildet. Die axialen Projektionen der Sensoren 6 liegen jeweils auf Teilflächenbereichen der Stirnfläche, deren Abstand zum jeweiligen Sensor 6 sich bei der Rotation der Welle 2a ändert. Durch die schräge plane Ebene der Stirnfläche weist der Teilflächenbereich unter dem einen Magnetfeldsensor 6 einen anderen Abstand zum Sensor 6 auf als der Teilflächenbereich unter dem anderen Sensor 6. In jeder Winkelstellung wird also das vom jeweiligen Sensor 6 gemessene Magnetfeld im Vergleich zum anderen Sensor 6 anders beeinflusst, d.h. beide Sensoren messen verschiedene Signale, wobei die Signale um 90 Grad phasenverschoben sind, wegen der Winkelbeabstandung der Sensoren.
Die magnetische Wechselwirkung beruht hier z.B. darauf, dass das magnetisierbare Material des Wellenendes 2c bei geringerem Abstand das Magnetfeld am Sensor 6 mehr konzentriert als bei einem größeren Abstand. Es wird somit mit den Sensoren 6 die fluktuierende Konzentrierung des Magnetfeldes am Sensorort gemessen, die durch das magnetisierbare Material am Wellenende 2c, insbesondere in der axialen Stirnfläche während der Rotation erzeugt wird.
Aus der Signalhöhe des Signals jedes der Sensoren 6 kann somit auf die Winkelposition zurückgeschlossen werden, wobei aus dem Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen den Signalen beider Sensoren auf die Drehrichtung der Welle 2c und somit die Flußrichtung des Fluids geschlossen werden kann. Die Winkelposition kann nicht nur relativ sondern auch absolut ermittelt werden, insbesondere wenn sich bei jeder möglichen Winkelposition ein anderes Wertepaar von Messwerten beider Magnetfeldsensoren ergibt.
In dieser Ausführung werden mit den Sensoren vorzugsweise jeweils sinusförmige Signale erzeugt. Es kann vorgesehen sein, zumindest eines der Signale in Pulse zu wandeln und sodann aus einer gezählten Pulsanzahl auf das durchflossene Volumen zu schließen.
Die 5 zeigt ein Detail einer alternativen Ausführung der Vorrichtung. Hier ist die Anordnung der Sensoren 6 identisch zu der Ausführung der 2, 3 und 4. Unterschiedlich ist hingegen, dass nur ein Permanentmagnet 7 verwendet wird. Dieser überdeckt zugleich beiden Sensoren 6 und ist wie bei der 4 zu jedem der beiden Magneten gültig nicht von der Rotationsachse 2d durchkreuzt. Alle anderen Merkmale sind mit den 2, 3, und 4 übereinstimmend ausgeführt.
Die 6 zeigen Ausführungsvarianten des wechselwirkenden Endes 2c der Welle 2a. Die 6A verdeutlich dabei im Schnitt eine Ausführung, die bereits hinsichtlich der Stirnflächengeometrie in den 2 bis 5 implementiert ist, d.h. die axiale Stirnfläche des Wellenendes 2c ist vollständig plan ausgebildet, wobei die Ebene quer zur Rotationsachse 2d liegt, diese also unter einem Winkel ungleich 90 Grad schneidet.
Zusätzlich ist visualisiert, dass die Welle 2a hohl ausgebildet ist und einen Kanal 2e aufweist, der sich vollständig durch die Welle hindurch erstreckt und sich so eignet, die Bereiche der Messkammer 3 an beiden Wellenenden durch die Welle hindurch druckausgleichend zu verbinden. Diese Ausführung ist bei den Ausführungen der 2 bis 4 und allen anderen möglichen Ausführungen einsetzbar.
6B zeigt eine Variante des Wellenendes, bei der die Stirnfläche genau zwei plane Teilflächen mit unterschiedlichem Winkel ungleich 90 Grad zur Rotationsachse 2d aufweist.
6C zeigt eine Variante, bei der gegenüber 6B die radial aussen liegenden Bereiche des Wellenendes 2c gekrümmt in die Wellenmantelfläche übergehen.
Bei der 6D ist die Stirnfläche in einer ersten Richtung senkrecht zur Rotationsachse, die hier in der Papierebene liegt, stetig gekrümmt und in einer zweiten, hier senkrecht zur Papierebene liegenden Richtung ohne Krümmung ausgeführt.
Bei 6E ist die Stirnfläche als gestufte Fläche ausgebildet, hier mit zwei Stufen von in axialer Richtung unterschiedlichen Höhen.
Bzgl. der 6 ist allgemein anzumerken, dass diese nicht nur Schnitte darstellen, sondern Seitenansichten der Welle, d.h. der Verlauf der Stirnfläche senkrecht zur Papierebene ist in allen Ebene parallel zur Papierebene mit der gezeigten Darstellung fluchtend. Alle Ausführungen der 6 können bei den Ausführungen der 2 bis 5, sowie allen anderen möglichen Ausführungen zum Einsatz kommen.
7 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der beide Wellen 2a und 2b jeweilige Wellenenden 2c aufweisen, die magnetisch wechselwirkende Wellenbereiche bilden.. Jedem der beiden Wellenenden 2c ist einer der beiden Magnetfeldsensoren 6 zugeordnet und jedem Magnetfeldsensor 6 ist ein eigener Permanentmagnet 7 zugeordnet, insbesondere der den Sensor 6 in axialer Richtung überdeckt. Gegenüber der 3 kann die Anordnung der Magnetfeldsensoren 6 so räumlich entzerrt werden. Erkennbar ist auch, dass die Wellenenden 2c beider Wellen 2a, 2b identisch ausgebildet sind bzgl. der Geometrie bzw. Topologie. Gemäß dieser Darstellung gibt es auch eine Position, in der die Wellenende im Raum bzw. in der Vorrichtung gleich orientiert sind, was hier z.B. daran zu erkennen ist, dass die höchste Spitze des Wellenende in der Abbildung jeweils rechts liegt. Ausgehend von dieser Position drehen sich beide Wellen in entgegengesetzten Richtungen. Die Magnetfeldsensor 6 weisen bzgl. der identischen Wellenausrichtung unterschiedliche Anordnungen auf und erzeugen so einen phasenverschobenen Signalverlauf.
8 zeigt eine weitere Alternative, bei der die Verdrängerelemente 1a, 1b in der Messkammer 3 des Gehäuses 5 als Schraubenspindeln ausgeführt sind, die miteinander in Eingriff stehen. Die Welle 2a der beiden Wellen 2a, 2b weist zwei Wellenbereiche 2c1, 2c2 auf, die jeweils mit einem anderen Magnetfeldsensor 6 wechselwirkend sind. In diesem Beispiel sind die Wellenbereiche 2c1, 2c2 vor dem axialen Ende der Welle 2a um die Rotationsachse 2d herum ausgebildet.
Jeder Wellenbereich 2c1, 2c2 weist magnetisierbares Material auf, das um die Rotationsachse 2d herum ungleichmäßig verteilt ist, z.B. in Form einer exzentrisch zur Rotationsachse 2d auf der Welle 2a befestigten jeweiligen Kreisscheibe aus magnetisierbarem Material. Beide Wellenbereiche 2c1, 2c2, bzw. Kreisscheiben können in ihrer jeweiligen Geometrie identisch ausgebildet sein, sind jedoch im Rotationswinkel versetzt zueinander an der Welle 2a befestigt und weisen daher in jeder Rotationswinkelposition an dem jeweiligen zum Magnetfeldsensor 6 weisenden und von diesem in der radialen Projektion überdeckten Teilflächenbereich auf der Mantelfläche einen anderen Abstand auf, was zu einer anderen Beeinflussung des Magnetfeldes am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors 6 führt. Erkennbar ist hier der Abstand bei der Mantelfläche des Wellenbereiches 2c2 kleiner als beim Wellenbereich 2c1.
Jedem Magnetfeldsensor 6 ist hier ein eigener Permanentmagnet 7 zugeordnet, insbesondere der den Sensor in radialer Richtung überdeckt. Die Anordnung aus Platine 8, Permanentmagneten 7 und Magnetfeldsensoren 6 ist hier in einer Tauchhülse 3c in der Messkammer 3 angeordnet.
Anders als bei den vorher gezeigten Ausführungen liegen hier die Magnetfeldsensoren 6 nicht in axialer Abstandsrichtung, sondern in radialer Abstandsrichtung bezogen auf die Rotationsachse 2d dem wechselwirkenden Wellenbereich 2c1, 2c2 gegenüber, hier den Kreisscheiben bzw. allgemein den radialen Mantelflächen der Welle 2a in den beiden Wellenbereichen 2c1 und 2c2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9581474 B1 [0003]
DE 102006011310 A1 [0003]
EP 3580527 B1 [0003]

Claims

Flußmessvorrichtung zur Messung des Volumenstroms eines Fluids umfassend ein Gehäuse (5a, 5b, 5c) mit einer Messkammer (3), die einen Fluideingang (3a) und einen Fluidausgang (3b) aufweist, wobei in der Messkammer (3) ein Messwerk (1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 6, 7) angeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit eines zwischen Fluideingang (3a) und Fluidausgang (3b) fließenden Fluids (4) wenigstens eine in der Meßkammer (3) rotierbar gelagerte mechanische Sensorkomponente (2a, 2b, 2c) in Rotation versetzbar ist, die mit wenigstens einer elektrischen Sensorkomponente (6) außerhalb der Messkammer (3) magnetisch wechselwirkend ist, dadurch gekennzeichnet, dass a. die wenigstens eine mechanische Sensorkomponente (2a, 2b, 2c) eine um eine Rotationsachse rotierbare Welle (2a, 2b) umfasst, die in einem in der Messkammer (3) liegenden Wellenbereich (2c) ein magnetisierbares Material umfasst, und b. der wenigstens eine magnetisierbares Material umfassende Wellenbereich (2c) mit wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei elektrischen Sensorkomponenten (6) wechselwirkend ist, wobei jede elektrische Sensorkomponente (6) durch einen Magnetfeldsensor (6) ausgebildet ist, und c. jeder Magnetfeldsensor (6) zu dem mit ihm wechselwirkenden Wellenbereich (2c) in einer Abstandsrichtung beabstandet außerhalb der Messkammer (3) angeordnet ist, und d. den Magnetfeldsensoren (6) wenigstens ein außerhalb der Messkammer (3) liegender ortsfester Permanentmagnet (7) zugeordnet ist, vorzugsweise der einen jeweiligen Magnetfeldsensor (6) in der Abstandsrichtung betrachtet überdeckend angeordnet ist, wobei mit dem wenigstens einen Permanentmagneten (7) am jeweiligen Ort der Magnetfeldsensoren (6) ein Magnetfeld erzeugbar ist, e. jeder der Magnetfeldsensoren (6) betrachtet in der Abstandsrichtung auf dem magnetisierbaren Material, insbesondere auf der Oberfläche des mit ihm wechselwirkenden Wellenbereichs (2c) einen Teilflächenbereich überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle (2a, 2b) im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor (6) variabel ist.
Flussmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Magnetfeldsensoren (6) mit demselben Wellenbereich (2c) einer Welle (2a), insbesondere dem Wellenbereich(2c) einer einzigen Welle (2a) oder dem Wellenbereich (2c) einer von zwei Wellen (2a, 2b) wechselwirkend sind und in jeweils verschiedener radialer Richtung beabstandet zur Rotationsachse (2d) dieser Welle (2a, 2b) außerhalb der Messkammer (3) angeordnet sind und von den Magnetfeldsensoren (6) jeweils ein anderer Teilflächenbereich auf der Oberfläche des einen Wellenbereichs (2c) überdeckt ist, oder b. von den wenigsten zwei Magnetfeldsensoren (6) eine erste Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit dem Wellenbereich (2c) der einen Welle (2a) und eine zweite Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit dem Wellenbereich (2c) der anderen Welle (2b) wechselwirkend ist, oder c. von den wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (6) eine erste Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit einem ersten Wellenbereich (2c1) einer Welle (2a), insbesondere einer von zwei Wellen (2a, 2b) und eine zweite Magnetfeldsensorgruppe, insbesondere mit genau einem Magnetfeldsensor, mit einem zweiten Wellenbereich (2c2) derselben Welle (2a) wechselwirkend ist.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wechselwirkende Wellenbereich (2c, 2c1, 2c2) einer Welle (2a, 2b) a. durch das axiale Wellenende der Welle (2a, 2b) gebildet ist und ein jeweiliger Magnetfeldsensor (6) in der Richtung der axialen Wellenerstreckung zu dem magnetisierbaren Material des mit ihm wechselwirkenden Wellenendes (2c) beabstandet außerhalb der Messkammer (3) angeordnet ist und in axialer Richtung betrachtet auf dem magnetisierbaren Material des Wellenendes (2c), insbesondere auf der axialen Stirnfläche des Wellenendes (2c) einen Teilflächenbereich überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle (2a, 2b) im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor (6) variabel ist, oder b. durch einen sich in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (2d) der Welle (2a, 2b) erstreckenden Bereich gebildet ist, in dem das magnetisierbare Material um die Rotationsachse ungleichmäßig verteilt ist, insbesondere das magnetisierbare Material einen zur Rotationsachse exzentrischen Ring bildet, vorzugsweise in welchem das magnetisierbare Material gleichmäßig verteilt ist, und ein jeweiliger Magnetfeldsensor in radialer Richtung zur Rotationsachse betrachtet auf dem magnetisierbaren Material des Wellenbereichs (2c1, 2c2), insbesondere auf der radialen Mantelfläche des Wellenbereichs (2c1, 2c2) einen Teilflächenbereich überdeckt, der in Abhängigkeit der Rotationsposition der Welle (2a, 2b) im Abstand zum jeweiligen Magnetfeldsensor (6) variabel ist.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Stirnfläche des wenigstens einen wechselwirkenden Wellenendes (2c), insbesondere aller wechselwirkenden Wellenenden (2c) a. als insgesamt in einer einzigen Ebene plane Fläche ausgebildet ist, wobei die Ebene nicht senkrecht zur Rotationsachse (2d) der Welle (2a, 2b) orientiert ist, vorzugsweise in einem Winkel von 10 bis 80 Grad, besonders bevorzugt in einem Winkel von 45 Grad zur Rotationsachse (2d) orientiert ist, oder b. als gestufte Fläche ausgebildet ist mit wenigstens zwei Stufen von in axialer Richtung unterschiedlichen Höhen, vorzugsweise wobei sich jede Stufe um die Rotationsachse (2d) über einen Winkelbereich von 360 Grad/n mit n = Anzahl der Stufen erstreckt, oder c. in einer ersten Richtung senkrecht zur Rotationsachse (2d) stetig oder in Stufen gekrümmt ist und in einer zweiten, zur ersten senkrechten Richtung keine Krümmung aufweist, oder d. wenigstens zwei, vorzugsweise genau zwei plane Teilflächen mit unterschiedlichem Winkel ungleich 90 Grad zur Rotationsachse (2d) aufweist.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Welle (2a, 2b) wenigstens einen sich durch die gesamte Welle (2a, 2b), vorzugsweise in axialer Richtung hindurch erstreckenden Kanal (2e) aufweist, mit dem Messkammerbereiche beidseits der Wellenenden fluidisch verbunden sind.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsvektoren der Richtungen der radialen Beabstandung der wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (6) von der Rotationsachse (2d) der Welle (2a, 2b) des mit ihnen jeweils wechselwirkenden, insbesondere einzigen, Wellenbereichs (2c, 2c1, 2c2) in einem Winkel α, insbesondere α = 90 Grad, zueinander angeordnet sind.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Magnetfeldsensor (6) ein eigener Permanentmagnet (7) zugeordnet ist.
Flussmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere in Rotationsrichtung um dieselbe Rotationsachse (2d) nebeneinanderliegenden, verschiedenen Permanentmagnete (7) alternierend polarisiert sind, insbesondere jeweils relativ zur Rotationsachse (2d) axial oder radial polarisiert sind.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Magnetfeldsensoren (6), insbesondere alle Magnetfeldsensoren (6) und der jeweils zugeordnete Permanentmagnet (7) auf gegenüberliegenden Seiten einer den oder die Magnetfeldsensoren (6) tragenden Platine (8) angeordnet ist/sind, vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten einer den Magnetfeldsensor (6) und den wenigstens einen zugeordneten Permanentmagneten (7) tragenden Platine (8) angeordnet sind.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine wechselwirkende Wellenbereich (2c, 2c1, 2c2) und wenigstens ein Magnetfeldsensor (6), vorzugsweise die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (6) beidseits eines nicht magnetischen und nicht magnetisierbaren Verschlußelementes (3c) angeordnet sind, mit dem die Messkammer (3) verschlossen ist.
Flussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messwerk zwei in Eingriff miteinander stehende Verdrängerelemente (1a, 1b) aufweist, die jeweils um eine eigene Rotationsachse (2d) drehbar sind, wobei um die Rotationsachse (2d) jedes Verdrängerelements (1a, 1b) eine von Verdrängerelement (1a, 1b) angetriebene Welle (2a, 2b) angeordnet ist, insbesondere die Welle (2a, 2b) das Verdrängerelement (1a, 1b) direkt trägt, und wenigstens eine der Wellen (2a, 2b) ein magnetisch wechselwirkendes Wellenende (2c) aufweist.
Verfahren zur Messung des Volumenstroms eines Fluids (4) mit einer Fluidmessvorrichtung umfassend ein Gehäuse (5a, 5b, 5c) mit einer Messkammer (3), die einen Fluideingang (3a) und einen Fluidausgang (3b) aufweist, wobei in der Messkammer (3) ein Messwerk angeordnet ist, mit dem in Abhängigkeit eines zwischen Fluideingang (3a) und Fluidausgang (3b) fließenden Fluids (4) wenigstens eine in der Meßkammer (3) rotierbar gelagerte mechanische Sensorkomponente (2a, 2b, 2c) in Rotation versetzt wird, die mit wenigstens einer elektrischen Sensorkomponente (6) außerhalb der Messkammer (3) magnetisch wechselwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Rotation wenigstens einer als mechanische Sensorkomponente verwendeten Welle (2a, 2b) der Abstand zwischen jedem von wenigstens zwei jeweils als elektrische Sensorkomponente verwendeten Magnetfeldsensoren (6), der jeweils vom Magnetfeld wenigstens eines den Magnetfeldsensoren (6) zugeordneten Permanentmagneten (7) durchsetzt wird, und einem magnetisierbares Material umfassenden Wellenbereich geändert wird, und hierbei mit jedem Magnetfeldsensor (6) eine sich mit der Rotationsposition der wenigstens einen Welle (2a, 2b) mit der Abstandsänderung lokal ändernde Feldstärke, insbesondere richtungsspezifische Feldstärkekomponente, des am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors (6) wirkenden Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Rotationsposition messtechnisch erfasst wird.