DE19516236A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Signalimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Signalimpulsen mit einer Zahnradanordnung, welche wenig­ stens zwei miteinander kämmende Zahnräder aufweist, und mit einer Sensoreinrichtung zur Detektion der Zahnraddrehung und zur Abgabe von Signalimpulsen abhängig von der detek­ tierten Zahnraddrehung.

Derartige Vorrichtungen zur Erzeugung von Signalimpulsen werden zur Messung verschiedener physikalischer Größen ein­ gesetzt, beispielsweise Volumen, Geschwindigkeit, Beschleu­ nigung etc. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird das Zahnradpaar beispielsweise durch eine Strömung oder eine Antriebswelle in Rotation versetzt. Ein Sensor detektiert die Bewegung der Zähne und gibt beim Vorbeilauf eines Zah­ nes jeweils einen Signalimpuls ab. Die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit stellt ein Maß für die Drehzahl oder Dreh­ geschwindigkeit des Zahnrades dar. Zudem können die Impulse zu Regelungs- und Steuerzwecken verwendet werden.

Ein Anwendungsgebiet derartiger Vorrichtungen liegt bei Vo­ lumenzählern. Ein derartiger Volumenzähler ist beispiels­ weise aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 94 20 572.8 be­ kannt. Bei diesem Zahnraddurchflußmessern ist ein Sensor im Umfangsbereich eines der Zahnräder angeordnet. Der Durch­ fluß, welcher durch die Zahnradanordnung strömt und diese antreibt, wird auf Grundlage der vom Sensor je vorbeilau­ fenden Zahn abgegebenen Impulse ermittelt.

Bei bestimmten Anwendungsfällen ist die Anzahl der abgege­ benen Signalimpulse pro Zahnradumdrehung für die Steue­ rungs-, Regelungs- und Meßprozesse zu gering. Zur Verdoppe­ lung der Anzahl der Signalimpulse ist es bekannt, einen zweiten Sensor an dem anderen Zahnrad des Zahnradpaares an­ zuordnen. Durch eine elektronische Verknüpfung der Aus­ gangssignale der beiden Sensoren kann man eine Signalver­ doppelung erreichen. Die Verwendung eines zweiten Sensors ist zwar für viele Anwendungen zufriedenstellend, jedoch werden ein zusätzlicher Sensor und zusätzliche Bauteile für die elektronische Signalverknüpfung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung in besonders wirtschaftlicher Weise so weiterzubilden, daß diese möglichst viele Signal­ impulse pro Zeiteinheit abgeben kann.

Ausgehend von einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Signalimpulsen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Sensor der Sensoreinrichtung im Be­ reich der Zahnradanordnung an einer Stelle angeordnet ist, an welcher der Sensor die Drehung beider Zahnräder detek­ tiert.

Die Grundidee der Erfindung liegt darin, einen einzelnen Sensor in der Nähe der beiden Zahnräder so anzuordnen, daß beide Zahnräder bereichsweise im Detektionsbereich des Sen­ sors liegen. Insbesondere detektiert der Sensor abwechselnd die Zähne der beiden Zahnräder. Bei der Rotation und dem Ineinandergreifen der beiden Zahnräder wird also beispiels­ weise ein Zahn des einen Rades und anschließend ein Zahn des anderen Rades erkannt. Pro Erkennung eines Zahnes durch den Sensor wird ein Impuls abgegeben. Bei einer derartigen Positionierung des Sensors werden also doppelt soviele Si­ gnalimpulse im Vergleich zu einer herkömmlichen Sensorein­ richtung mit einem Sensor erzeugt. Diese Signalverdoppelung wird dabei ohne einen zusätzlichen Sensor und ohne eine spezielle Signalverknüpfungseinrichtung erreicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Sensor nahe am Umfangsbereich der Zahnräder angeordnet ist und daß der Sensor bei Detektion eines vor­ beilaufenden Zahnes einen Signalimpuls abgibt. Der Sensor kann sowohl im Stirnbereich der Zahnräder oder in deren Flankenbereich angeordnet sein. Der Detektionsbereich des Sensors ist dabei so ausgebildet, daß sich nur jeweils ein Zahn der beiden Zahnräder zu einer bestimmten Zeit im De­ tektionssektor aufhält, so daß ein diskreter Signalimpuls erzeugt wird. Nachdem der eine Zahn den Detektionssektor verlassen hat, durchläuft anschließend ein Zahn des anderen Zahnrades den Detektionssektor des Sensors und erzeugt ein weiteres diskretes Signal.

Bei einer erfindungsgemäßen Weiterbildung ist es vorteil­ haft, daß der Sensor in Achsrichtung der Zahnräder versetzt zu diesen neben der Eingriffszone der Zahnräder angeordnet ist. Als Eingriffszone der Zahnräder ist hier der Über­ schneidungsbereich der Kopfkreise der beiden Zahnräder zu verstehen. Durch die Versetzung in Achsrichtung besteht ausreichend Raum, den Sensor stirnseitig zu den Zahnrädern anzuordnen.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß der Sensor im Be­ reich des Schnittpunktes der Kopfkreise der Zahnräder ange­ ordnet ist. Der Schnittpunkt der Kopfkreise ist die Stelle der Eingriffszone, bei der die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen am größten ist. Diese Po­ sition ist daher besonders geeignet, um diskrete Signalim­ pulse zu erzeugen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der Sensor zu den Achsen der Zahnräder einen gleichen Abstand aufweist. Durch diese symmetrische Anordnung des Sensors wird gewährleistet, daß die erzeugten Signalimpulse stets einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.

Erfindungsgemäß liegt eine vorteilhafte Ausführungsform darin, daß der Sensor ein berührungslos arbeitender Sensor ist. Durch den Sensor wird somit eine zusätzliche mecha­ nische Abnützung an den Zahnrädern vermieden. Der Sensor kann dabei ein elektronischer oder optischer Sensor sein. Bevorzugt arbeitet der Sensor nach einem magnetisch-induk­ tiven Detektionsprinzip. Ein derartiger Sensor kann bei­ spielsweise einen einzelnen, aus ferromagnetischem Material hergestellten Zahn detektieren. An den einzelnen Zähnen der Zahnräder können jedoch auch Markierungselemente, bei­ spielsweise Magnetpunkte, angeordnet sein, die beim Durch­ lauf des Detektionssektors des Sensors den Signalimpuls auslösen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, daß der Sensor ein Trägerfrequenz-, Hall- oder induktiver Sensor ist. Derarti­ ge Sensoren stellen zuverlässige Standardsensoren dar, die eine kompakte Anordnung in einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ermöglichen.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß der Sensor an einer Stelle angeordnet ist, bei der die durch Detektion der Drehbewegung des einen Zahnrades erzeugten Signale eine bestimmte Phasenverschie­ bung zu den Signalen aufweisen, welche durch Detektion des anderen Zahnrades erzeugt sind. Die Phasenverschiebung kann dabei so gewählt sein, daß die einzelnen Signalimpulse gleiche oder unterschiedliche Impulsabstände zueinander aufweisen. Ungleichmäßige Signalabstände, die für bestimmte Regelungs- oder Steuerungsprozesse vorteilhaft sind, können beispielsweise durch eine unsymmetrische Anordnung des Sen­ sors zu den Zahnradachsen oder durch Anbringung der Markie­ rungselemente an unterschiedlichen Stellen der Zähne der Zahnräder erzeugt werden.

Hierbei stellt es eine vorteilhafte Weiterbildung der Er­ findung dar, daß durch Änderung der Position und/oder Aus­ richtung des Sensors eine gewünschte Phasenverschiebung einstellbar ist. Dies ist beispielsweise durch eine Ju­ stiereinrichtung möglich, durch welche die Lage und/oder die Ausrichtung des Sensors zu dem Zahnradpaar veränderbar ist. Somit kann je nach Anwendungsfall eine gewünschte Pha­ senverschiebung eingestellt werden.

Eine vorteilhafte und erfindungsgemäße Weiterentwicklung liegt darin, daß die Sensoreinrichtung mehrere Sensoren aufweist. Durch entsprechende Erhöhung der Sensorenanzahl kann eine beliebige Vervielfachung der Impulsanzahl erfol­ gen. So kann eine Verdreifachung dadurch erreicht werden, daß ein herkömmlich angeordneter Sensor mit einem "Doppel- Detektions"-Sensor verknüpft wird. Eine Vervierfachung kann mit lediglich zwei Sensoren dadurch erreicht werden, daß zwei Sensoren, welche jeweils die Rotation beider Zahnräder detektieren, an dem Zahnradpaar angeordnet sind.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die Sensoreinrichtung eine Signalverarbeitungselektronik aufweist. Die Signalverarbeitungselektronik dient dabei zur Verknüpfung von Ausgangssignalen verschiedener Senso­ ren. Insbesondere kann diese Elektronik eine EXOR-(Exklusiv- Oder)-Verknüpfung von mehreren Signalen durchführen, um ein gemeinsames Ausgangssignal der Sensoreinrichtung zu erhal­ ten.

Die Erfindung wird weiter anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, welche schematisch in der Zeichnung dargestellt sind.

Es zeigen

Fig. 1a in stark schematisierter Weise eine herkömmli­ che Vorrichtung mit einem Sensor;

Fig. 1b und 1c Signaldiagramme der Vorrichtung gemäß Fig. 1a;

Fig. 2a in stark schematisierter Weise eine herkömmli­ che Vorrichtung mit zwei Sensoren;

Fig. 2b und 2c Signaldiagramme der Vorrichtung gemäß Fig. 2a;

Fig. 3a in stark schematisierter Weise eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung mit einem Sensor;

Fig. 3b und 3c Signaldiagramme der Vorrichtung gemäß Fig. 3a;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch ein erfindungs­ gemäßes Ausführungsbeispiel; und

Fig. 5 eine Draufsicht auf den unteren Teil der Vor­ richtung gemäß Fig. 4.

Aus Fig. 1a geht die prinzipielle Anordnung eines Sensors 3 bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung von Signalimpulsen hervor. Der Sensor 3 ist in der Nähe des Außenumfangs eines Zahnrades 1 angeordnet, welches mit einem Zahnrad 2 kämmt. Der Sensor 3 gibt beim Vorbeilaufen der Zähne 11 des Zahnrades 1 jeweils einen Signalimpuls ab.

Fig. 1b ist ein Signaldiagramm, im dem der durch den Sen­ sor 3 gemäß Fig. 1a erzeugte Signalverlauf dargestellt ist. Aus dem Signaldiagramm geht hervor, daß beim Durchlauf eines Zahnes 11 durch den Detektionssektor des Sensors 3 jeweils ein Wechsel des Signalniveaus stattfindet.

Fig. 1c ist ein weiteres Signaldiagramm, in welchem der Signalimpulsverlauf des Sensors 3 gemäß Fig. 1a dargestellt ist. Beim Vorbeilauf eines Zahnes 11 am Sensor 3 wird je­ weils ein einzelner Signalimpuls erzeugt.

In Fig. 2a ist die prinzipielle Anordnung einer herkömm­ lichen Signalerzeugungsvorrichtung gezeigt, mit der eine Impulsverdoppelung gegenüber der Vorrichtung aus Fig. 1a erreichbar ist. Die Vorrichtung weist zwei miteinander käm­ mende Zahnräder 1 und 2 auf. In unmittelbarer Nähe zum Um­ fangsbereich des Zahnrades 1 ist ein Sensor 3A angeordnet, welcher den Vorbeilauf der Zähne 11 des Zahnrades 1 de­ tektiert. Ein zweiter Sensor 3B ist am Umfangsbereich des Zahnrades 2 angeordnet, um den Vorbeilauf der Zähne 12 des Zahnrades 2 zu detektieren.

In dem Signaldiagramm gemäß Fig. 2b sind die beiden Signal­ verläufe der Sensoren 3A und 3B getrennt dargestellt. Aus den beiden Signalverläufen geht hervor, daß die beiden Sen­ soren jeweils derart zu den Zahnrädern 1 und 2 angeordnet sind, daß die Signalverläufe um eine halbe Phase zueinander verschoben sind. Durch eine geeignete Elektronikverknüpfung kann aus diesen beiden Signalverläufen ein gemeinsames Aus­ gangsimpulssignal erzeugt werden, welches in Fig. 2c darge­ stellt ist. Bei einer geeigneten Signalverknüpfung weisen die Signalimpulse gleiche Abstände zueinander auf.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist schematisch in Fig. 3a gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei miteinander kämmende Zahnräder 1 und 2 auf. Die Kopfkreise 5 und 6 der beiden Zahnräder 1 und 2 umschließen in ihrem Überschneidungsbereich die Eingriffszone 7. An dem rechts­ seitigen Schnittpunkt 4 der beiden Kopfkreise 5 und 6 ist ein Sensor 3 angeordnet. Durch den Detektionsbereich des Sensors 3 laufen abwechselnd die Zähne 11 des Zahnrades 1 und die Zähne 12 des Zahnrades 2.

In Fig. 3b ist der Signalverlauf gezeigt, der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 3a erzeugt wird. Aus Fig. 3b wird deutlich, daß bei vergleichbarer Zahnrad­ anordnung und gleicher Drehzahl bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Verdoppelung der Signalfrequenz gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen gemäß Fig. 1a und 2a er­ reicht wird.

Bei dem Signalimpulsverlauf gemäß Fig. 3c wird deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die gleiche Anzahl von Signalimpulsen wie bei der herkömmlichen Vor­ richtung gemäß Fig. 2a erreicht wird. Jedoch wird dieses Ergebnis bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nur einem Sensor und ohne eine aufwendige Signalverknüpfungs­ elektronik erreicht.

In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch in der Ausführungsform eines Volumenzählers 20 dargestellt. Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Volumenzähler in der Ebene der Zahnradachsen 29. Der Volumenzähler 20 ist nach Art eines Zahnradmotors aufgebaut und weist zwei Gehäusehälften 26 und 27 auf. Beide Gehäusehälften 26 und 27, die auch als Deckel und Boden bezeichnet werden können, werden durch eine Dichtung 21 abgedichtet. Durch die Ge­ häusehälften 26, 27 wird eine Meßkammer 25 umschlossen, in denen die Zahnräder 1 und 2 vorgesehen sind. In der unteren Gehäusehälfte 26 sind die Achsen 29 befestigt, auf denen jeweils ein Zahnrad 1 und 2 drehbar gelagert ist. Das An­ laufen der Zahnräder 1 und 2 an der oberen Meßkammer wird durch Lagerplatten 28 verhindert, die in der oberen Ge­ häusehälfte 27 integriert sind.

In der oberen Gehäusehälfte 27 ist mit gleichem Abstand zu den Achsen 29 eine Sacklochbohrung 22 mit eingeschnittenem Gewinde vorgesehen, die als Sensoraufnahme dient. Durch die Sacklochbohrung 22, welche bis an den unmittelbaren Stirn­ bereich der Zahnräder 1 und 2 heranreicht, kann ein Sensor außerhalb der Meßkammer 25 zur berührungslosen Detektion der Zahnraddrehung im Stirnbereich der Zahnräder 1 und 2 angebracht werden. Die Sacklochbohrung 22 ist mittig zu den Achsen 29 oberhalb der Eingriffszone angeordnet, welche so­ wohl von den Zähnen 11 des Zahnrades 1 als auch von den Zähnen 12 des Zahnrades 2 durchlaufen wird. Somit kann der nicht dargestellte Sensor in der Sacklochbohrung 22 abwech­ selnd die vorbeilaufenden Zähne 11 und 12 der beiden Zahn­ räder 1 und 2 detektieren.

In Fig. 5 ist eine Draufsicht auf den unteren Gehäuseteil 26 mit der Flachdichtung 21 gezeigt. In der unteren Gehäusehälfte 26 sind die beiden Zahnräder 1 und 2 paßgenau in der Meßkammer 25 angeordnet. Zur Messung eines Durch­ flusses ist in der unteren Gehäusehälfte 26 ein Einlaßkanal 23 und ein Auslaßkanal 24 angeordnet. Die Strömung vom Ein­ laßkanal 23 zum Auslaßkanal 24 versetzt die beiden Zahnräder 1 und 2 in Rotation. Die am Sensor abwechselnd vorbeilaufenden Zähne 11 und 12 rufen eine entsprechende Anzahl von Signalimpulsen hervor. Diese Signalimpulse können in einer Auswerteelektronik zur Ermittlung des Durchflusses verarbeitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch nicht nur bei Volumenzählern oder Zahnradpumpen, sondern auch bei allen anderen Meß-, Steuer- und Regelungsanordnungen eingesetzt werden, bei denen durch Zahnradrotation erzeugte Signalim­ pulse verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungs­ gemäße Vorrichtung auch zur Drehzahlmessung an Maschinen oder zur Geschwindigkeits-, Strecken- und Beschleunigungs­ messung insbesondere bei Fahrzeugen eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Signalimpulsen mit einer Zahnradanordnung, welche wenigstens zwei miteinander kämmende Zahnräder aufweist, und mit einer Sensoreinrichtung zur Detektion der Zahnrad­ drehung und zur Abgabe von Signalimpulsen abhängig von der detektierten Zahnraddrehung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (3) der Sensoreinrichtung im Bereich der Zahnradanordnung an einer Stelle angeordnet ist, an welcher der Sensor die Drehung beider Zahnräder (1, 2) detektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) nahe am Umfangsbereich der Zahnräder (1, 2) angeordnet ist, und daß der Sensor (3) bei Detektion eines vorbeilaufen­ den Zahnes (11, 12) einen Signalimpuls abgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) in Achsrichtung der Zahnräder (1, 2) versetzt zu diesen neben der Eingriffszone (7) der Zahnräder (1, 2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) im Bereich des Schnittpunktes (4) der Kopfkreise (5, 6) der Zahnräder (1, 2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) zu den Achsen (29) der Zahnräder (1, 2) einen gleichen Abstand aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) ein berührungslos arbeitender Sensor ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) ein Trägerfrequenz-, Hall- oder induktiver Sensor ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) an einer Stelle angeordnet ist, bei der die durch Detektion der Drehbewegung des einen Zahnrades (1) erzeugten Signale eine bestimm­ te Phasenverschiebung zu den Signalen aufweisen, welche durch Detektion des anderen Zahnrades (2) er­ zeugt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Position und/oder Ausrichtung des Sensors (3) eine gewünschte Phasenverschiebung einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung mehrere Sensoren aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung eine Signalverarbeitungs­ elektronik aufweist.