DE4008844C2 - Volumetrischer Zähler mit schwingendem Ringkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen volumetrischen Zähler mit schwingenden bzw. oszillierenden Ringkolben, insbe­ sondere für die Messung des Kraftstoffverbrauches bei Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Gehäuse, in welchem sich der Ringkolben mit mindestens einem mag­ netischen Erreger befindet, sowie einem Stator, der mindestens mit einem im Gehäuse eingebauten Empfänger ausgerüstet ist und einem elektronischen Modul für die Zählung der vom Erreger erzeugten und vom Empfänger erfaßten Impulse.

Die volumetrischen Zähler, die für die Messung einer Menge von Flüssigkeit oder von Gas am meisten verwen­ det werden, enthalten einen mechanischen Addierwert und/oder einen Rotor, der mindestens mit einem Erreger ausgerüstet ist, und einen Stator, der mindestens mit einem Empfänger versehen ist. Der Rotor neigt zu einer schwingenden bzw. schwebenden Bewegung, bzw. Oszilla­ tion, wenn der Durchsatz des Mediums Änderungen er­ fährt, wie es beispielsweise bei der Messung des Ver­ brauchs von Kraftstoff, bei den Verbrennungsmotoren oder bei den Brennern für flüssige oder gasförmige Brennstoffe der Fall ist, deren Einschalten und Aus­ schalten durch einen Thermostat oder einen program­ mierten Kreis gesteuert sind. Diese schwingende bzw. schwebende Bewegung des Rotors ist keineswegs störend, wenn die Übertragung auf einen mechanischen Addierwert erfolgt, der die Bewegung dieses Rotors nachzieht. Dies gilt ebenfalls, wenn die Bewegung des Rotors an einen Sender von Impulsen weitergeleitet wird, der eine höhere Hysterese zwischen dem Zwischenschalten und dem Ausschalten des Signals, das von dem Geber wiedergegeben ist, enthält, was beispielsweise bei den Schaltern, Bauart "Reed" der Fall ist.

Hingegen ist diese schwebende Bewegung bzw. Oszilla­ tion besonders störend, wenn das System mehrere Er­ reger und/oder mehrere einpolige Empfänger enthält, was bei den volumetrischen Zählern mit hoher Auslösung der Fall ist, bei denen die Anzahl der Impulse, die von den Empfängern erzeugt werden, beispielsweise höher als ein Impuls je Rotorumdrehung ist. Diese Systeme mit hoher Auslösung werden beispielsweise bei den hochwertigen Systemen für Überwachung verwendet, um den augenblicklichen Verbrauch an Kraftstoff zu messen, der anschließend entweder in Litern je 100 km, in Gallonen je Meile oder in Litern je Stunde oder in jeder anderen üblichen Meßeinheit angezeigt wird. Im allgemeinen ist diese Bauart eines volumetrischen Zäh­ lers für alle Verwendungen einzusetzen, die die Mes­ sung mit einer höheren Genauigkeit von Mediumsmengen, die in kleine Bruchteile der Meßeinheit geteilt sind, erfordern.

Die Oszillationen bzw. Schwingungen des Rotors der vo­ lumetrischen Zähler dieser Bauart sind besonders stö­ rend, da sie zu der Registrierung von mehreren Vorbei­ gängen des oder der Erreger desselben Empfängers füh­ ren, wodurch die Registrierung einer Anzahl von Impul­ sen entsprechend der Anzahl dieser Vorbeigänge er­ folgt, die höher als die normale Anzahl zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen des Rotors ist. Hieraus er­ geben sich Fehlmessungen.

Bisherige bekannte Zähler verwenden magnetische Emp­ fänger in der Bauart der Schalter "Reed" in einem Va­ kuumgefäß, die durch eine Änderung des magnetischen Felds betätigt werden. Der Nachteil dieser Systeme ist die verhältnismäßig große Dimensionierung der Empfän­ ger und daß die Änderung des magnetischen Felds für das Herbeiführen einer Änderung des Zustands groß sein muß.

Diese beiden Gründe bewirken, daß die Auslösung des Systems gering ist. Die Empfänger nach dieser Bauart können nur bei Zählern in größeren Abmessungen ver­ wendet werden.

Die DE 30 08 248 A1 offenbart einen Volumenzähler mit einem Drehkolben, der mindestens einen Magneten trägt und mit einem Meßumformer, der dem Drehkolben benach­ bart angeordnet ist und magnetfeldempfindliche Bauele­ mente aufweist, die im Einflußbereich des Magneten liegen. Es ist eine Vielzahl von magnetfeldempfindli­ chen Bauelementen vorgesehen, wobei die magnetfeldemp­ findlichen Bauelemente der Bewegungsbahn des Magneten entsprechend angeordnet sind. Die Ausgänge der magnet­ feldempfindlichen Bauelemente sind mit elektronischen Bausteinen verbunden, die auf die jeweils positive oder auf die jeweils negative Flanke des Ausgangssig­ nals der magnetfeldempfindlichen Bauelemente hin einen kurzen elektrischen Impuls erzeugen, wobei die von je­ weils benachbarten magnetfeldempfindlichen Bauelemen­ ten angeregten kurzen elektrischen Impulse jeweils aufeinander folgen.

Aus der GB 2 101 219 ist ein Ovalradzähler bekannt, bei dem der oder die Magnete axial parallel zur Rotor­ achse im Rotor eingelassen sind. Die Empfänger sind ebenfalls parallel in axialer Richtung zur Rotorachse im Gehäuse angeordnet.

Nachteilig an dem Prinzip des in der genannten Druck­ schrift offenbarten Ovalradzählers ist jedoch, daß diese relativ ungenau sind, da maximal 400 Impulse pro 1 Liter Durchfluß erzielt werden können.

Aus der US-A-3,874,235 ist ein Zähler bekannt, welcher höchstens einen Magneten im Zentrum des Ringkolbens enthalten kann. Die Sensoren und die Erreger sind, ebenso wie bei dem bereits beschriebenen Stand der Technik parallel zur Achse des Rotors angeordnet. Die Platzverhältnisse zur Bestückung mit Sensoren sind hierbei sehr begrenzt, so daß mit dem beschriebenen Zähler nur relativ ungenaue Messungen vorgenommen wer­ den können.

Die GB 2 123 556 offenbart einen Bewegungsmelder auf Reed-Schalter-Basis. Hierbei soll eine elektronische Sperrvorrichtung verhindern, daß ein Reed-Schalter mehrere Impulse beim Hin- und Herpendeln des Magneten auslöst.

Wird ein derartiges System auf einen Ringkolbenzähler angewandt, so ist die Anzahl der möglichen Reed-Schal­ ter aus Platzgründen sehr limitiert. Hierdurch wieder­ um sind nur relativ ungenaue Messungen möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen, indem ein volumetri­ scher Zähler von hoher Genauigkeit bereitgestellt wird, bei dem störende Impulse für den Meßvorgang nicht auftreten.

Hierzu ist der Zähler gemäß der Erfindung dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ringkolben mit einem separaten Rotor gekoppelt ist, der von dem Ringkolben angetrie­ ben ist, wobei der Rotor einen oder mehrere magneti­ sche Erreger trägt, um ein Magnetfeld in Richtung einer radialen Achse des Rotors zu erzeugen, und daß das elektronische Modul eine Verriegelungseinrichtung für die Sperrung jedes Empfängers enthält, wenn die Impulse des magnetischen Erregers einer vor­ herbestimmten Reihenfolge nicht entsprechen.

Nach einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht der besagte Teil des Gehäuses, in dem der Empfänger eingebaut ist, aus einer Verschluß­ platte und der besagte Empfänger ist in einer Sack­ bohrung angeordnet, die in der Dicke dieser Platte ausgeführt ist.

Der Zähler gemäß der Erfindung kann mehrere Empfänger enthalten, die jeweils in mehreren Sackbohrungen ange­ ordnet sind, und diese Sackbohrungen können auf einem Kreis, der gegenüber dem Rotor konzentrisch ist, ange­ ordnet werden.

Vorzugsweise weisen die Sackbohrungen zueinander einen regelmäßigen Abstand auf, sie können jedoch auch einen unregelmäßigen Abstand aufweisen.

Bei dieser Art der Ausführung ist das besagte elektro­ nische Modul in einer Aussparung eingebaut, die in der besagten Verschlußplatte angeordnet ist. Vorzugsweise ist die besagte Aussparung in der oberen Seite dieser Platte angeordnet.

In einer vorteilhaften Weise sind die besagten Empfän­ ger und das besagte elektronische Modul in einem poly­ merisierbaren Kunststoff eingebettet, und das elektro­ nische Modul enthält Einrichtungen, um die Laufrich­ tung des besagten Erregers gegenüber dem besagten Emp­ fänger festzulegen.

In vorteilhafter Weise ist das elektronische Modul auf der Verschlußplatte angeordnet.

Desweiteren können sich die Anschlußstellen der Emp­ fänger über den entsprechenden Sackbohrungen befinden.

Für die Zählung der Impulse ist das elektronische Mo­ dul des Gehäuses über elektrische Leitungen mit den Empfängern verbunden, die in den Sackbohrungen der Verschlußplatte eingebaut sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Empfänger sogenannte Hall-Effekt-Empfänger.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung trägt der Stator mindestens zwei Empfänger in einpoliger Bauart.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen und auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in der:

die Fig. 1 ein axialer Schnitt des volumetrischen Zählers gemäß der Erfindung ist,

die Fig. 2 eine Draufsicht auf die obere Platte des Zählers ist,

die Fig. 3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F schematisch ver­ schiedene Varianten des volumetrischen Zählers gemäß der Erfindung veranschaulichen, der mit einpoligen Empfängern ausgerüstet ist,

die Fig. 4 ein Prinzipschema ist, das die Funktion des elektronischen Moduls veranschaulicht und

die Fig. 5 eine Detaildarstellung des elektronischen Moduls, in Verbindung mit den Varianten mit einpoligen Empfängern nach der Fig. 3, ist.

Unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 besteht der darge­ stellte volumetrische Zähler aus einem Gehäuse 10, das eine Meßkammer 11 abgrenzt und einen schwingenden bzw. oszillierenden bzw. schwebenden Ringkolben 12 enthält, wobei der Ringkolben 12 mit einem Rotor 13 verbunden ist, der einen oder mehrere Erreger 14 trägt, die vor­ zugsweise aus Dauermagneten bestehen. Das Gehäuse 10 enthält eine obere Verschlußplatte 15, die in der Draufsicht in der Fig. 2 dargestellt ist, und in dem dargestellten Beispiel vier Sackbohrungen 16 aufweist, in denen je ein Empfänger 17 eingebaut ist. Diese Em­ pfänger 17 sind mit einem elektronischen Modul 18 ver­ bunden, das in dem vorliegenden Fall auf der oberen Seite der Platte 15, vorzugsweise in einer geeigneten Aussparung angeordnet ist. Aus der Fig. 1 ist ersicht­ lich, daß sich Anschlußstellen 19 von Anschlußbeinen 20 der Empfänger 17 auf dem elektronischen Modul 18 direkt über den entsprechenden Sackbohrungen 16 be­ finden. Nach dem Zusammenbau ist das Aggregat aus den Empfängern und dem elektronischen Modul in einem poly­ merisierbaren Kunststoff, beispielsweise in einem Epo­ xy-Harz eingebettet.

Die Sackbohrungen 16 sind derart angeordnet, daß der Abstand, der den oder die Erreger 14 von dem Empfän­ gern trennt, so klein wie möglich ist, wenn der Rotor läuft. Sie sind vorteilhaft auf einem gegenüber diesem Rotor konzentrischen Kreis angeordnet.

Diese Bauart ist besonders vorteilhaft, da sie eine kompakte Ausführung ermöglicht, bei der die Empfänger in der Dicke der oberen Platte des Gehäuses des Zäh­ lers unmittelbar eingebaut sind. Der Erreger besteht vorteilhaft aus einem Dauermagnet und die Empfänger sind vorteilhaft einpolige oder zweipolige Empfänger des magnetischen Feldes mit Hall-Effekt, weil sie äußerst empfindlich sind und hierdurch jede Verstel­ lung des Erregers um einen noch so geringen Winkel des Rotors von den Empfängern berücksichtigt wird. Diese Bauart, mit zwei in Bewegung befindlichen Teilen, er­ möglicht eine genaue Anzahl von Impulsen je Rotorum­ drehung zu bekommen. Diese Anzahl von Impulsen hängt von der Anzahl der in der oberen Platte des Gehäuses eingebauten Empfänger und von der Anzahl der auf dem Rotor angeordneten Magnete ab, wobei der Rotor von dem oszillierenden Ringkolben des Zählers angetrieben ist. In dem besonderen Fall, bei dem die Empfänger einpolig sind, verhindert eine nachstehend beschriebene Ver­ riegelungseinrichtung die Zählung von Impulsen, die normalen Bewegungen des Rotors nicht entsprechen sondern auf oszillierende Bewegungen des Rotors durch Ausbleiben, Einschaltungen und andere Änderungen des Durchsatzes des zu messenden Mediums, zurückzuführen sind. Diese Verriegelungseinrichtung ist bei ein­ poligen Empfängern unbedingt erforderlich.

Eines der Merkmale der Bauart dieses Zählers besteht darin, daß der Einbau der Empfänger derart ausgeführt ist, daß sie mit dem zu messenden Medium, nicht in Be­ rührung kommen, wodurch die Probleme der Dichtheit des Zählers völlig gelöst sind. Unter Berücksichtigung der Leistung der Magnete, die zur Zeit auf dem Markt ange­ boten werden, und aufgrund einer genauen Positionie­ rung der, in der oberen Platte eingebauten Empfänger, kann das Vorbeistreichen der Magnete durch die, für die magnetischen Felder empfindlichen Empfänger, re­ gelmäßig und genau registriert werden. Die Anordnung der Erreger ist im Prinzip regelmäßig, d. h. daß der Winkel, welcher diese Teile voneinander trennt, für alle gleich ist. Jedoch ist diese Anordnung nicht unbedingt erforderlich. Einige Erreger können gegenüber dieser Position versetzt werden, um bei gewissen Bauarten von Zählern mit rotierendem Kolben den Linearitätsfehler zwischen dem Drehwinkel der schwebenden Ringkolben und dem entsprechend verdräng­ ten Volumen zu berücksichtigen. Das magnetische Feld der Magnete entspricht einer radialen Achse des Rotors, wobei dies eine eindeutige Abschaltung der Em­ pfänger durch die Änderung des Winkels der magneti­ schen Achse gegenüber der empfindlichen Oberfläche dieser Empfänger bei der Drehbewegung des die Magnete tragenden Rotors, ermöglicht.

Im allgemeinen läßt sich der zulässige Winkel für Oszillationen (Schwingungen) des Rotors, der das Ein­ schalten von Impulsen auf eine normale Drehung dieses Rotors nicht verursacht, bei einpoligen Empfängern nach der folgenden Formel errechnen:

Wenn der volumetrische Zähler vier Empfänger und drei Erreger enthält, beträgt beispielsweise die Anzahl von Impulsen je Rotorumdrehung das Produkt der Anzahl der Empfänger durch die Anzahl der Erreger, in diesem Fall zwölf Impulse. Unter Bezug auf die vorstehende Formel beträgt der Winkel für das Nichteinschalten oder der Winkel der zulässigen Oszillationen:

Die Fig. 3A ist die schematische Darstellung einer Einrichtung, die aus einem Erreger 20 und zwei Empfän­ gern 21 und 22 besteht, die bei 180° voneinander ange­ ordnet sind. Die Anzahl der Impulse je Umdrehung ent­ spricht dem Produkt der Anzahl der Empfänger multi­ pliziert mit der Anzahl der Erreger, d. h. zwei Impulse je Umdrehung.

Die Fig. 3B veranschaulicht eine Variante, bei der die Anzahl der Erreger 30 zwei und die Anzahl der Empfän­ ger 31, 32 und 33 drei beträgt. Die Erreger sind bei 180° und die Empfänger bei 120° angeordnet. Die Anzahl der Impulse beträgt sechs Impulse je Umdrehung.

Die Fig. 3C veranschaulicht eine Variante, bei der die Anzahl der Erreger 40 vier und die Anzahl der Empfän­ ger 41, 42 und 43 drei beträgt. Die Erreger sind bei 90° und die Empfänger bei 120° gegeneinander angeord­ net. Die Anzahl der Impulse beträgt zwölf Impulse je Rotorumdrehung.

Die Fig. 3D veranschaulicht eine weitere Variante, bei der die Anzahl der Erreger 50 drei und die Anzahl der Empfänger 51, 52, 53 und 54 vier beträgt. Die Erreger sind bei 120° und die Empfänger bei 90° gegeneinander angeordnet. Die Anzahl der Impulse je Rotorumdrehung beträgt zwölf.

Unter Bezug auf die Fig. 3E enthält die Einrichtung drei Erreger 60, die bei 120° und fünf Empfänger 61, 62, 63, 64 und 65, die bei 72° angeordnet sind. Die An­ zahl der Impulse je Rotorumdrehung beträgt fünfzehn.

Die letzte Variante, die durch die Fig. 3F dargestellt ist, enthält vier Erreger 70, die bei 90° und fünf Empfänger 71, 72, 73, 74 und 75, die bei 72° angeordnet sind. Die Anzahl der Impulse je Rotorumdrehung beträgt zwanzig.

Diese einzelnen Varianten wurden zur Veranschaulichung erarbeitet. Die Anzahl der Empfänger und die Anzahl der Erreger ist nicht begrenzt. Wie vorstehend ange­ führt, entspricht die Anzahl der Impulse dem Produkt der Anzahl der Empfänger multipliziert mit der Anzahl der Erreger.

Die Schaltung der Fig. 4 stellt ein Beispiel der Aus­ führung des elektronischen Moduls dar, das vier Emp­ fänger A, B, C und D enthält, die jeweils an die Transistoren T₁, T₂, T₃ und T₄ über die Widerstände R₁, R₂; R₂₁, R₂₂; R₃₁, R₃₂; R₄₁; R₄₂ angeschlossen sind. Die Transistoren sind jeweils mit einem Eingang von Toren ET, P₁, P₂, P₃ und P₄ verbunden. Der andere Eingang dieser Tore ist an einem Zähler C angeschlossen. Der Zähler erzeugt ein Signal an dem Ausgang S, wenn einer der Empfänger erregt wurde und wenn die anderen Empfänger nach einer vorher festgelegten Reihenfolge zuvor erregt wurden.

Die Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Funk­ tionsprinzipes der Einrichtung. Wenn die Empfänger 80, durch das magnetische Feld erregt sind, das durch die Magnete, die an dem Rotor befestigt sind, übermittelt wird, erzeugen sie einen Impuls I₁, I₂, I₃, I₄, der zu dem Eingang einer Verriegelungseinrichtung V gesandt wird, deren Aufgabe darin besteht, diese Impulse in der chronologischen Reihenfolge, in der sie normaler­ weise gesandt werden sollen, zu registrieren und auf einer Ausgangsstufe, die aus einem Impulszähler be­ steht, ein Signal S zu senden. Die Verriegelungsein­ richtung ist derart ausgelegt, daß ein bestimmter Im­ puls nicht angenommen wird, wenn der unmittelbar vor­ hergehende Impuls nicht registriert wurde. Auf diese Art können die störenden Impulse, die auf Oszillatio­ nen zurückzuführen sind, nicht abgezählt werden, und demzufolge die Messungen nicht verfälschen.

Die Vorteile der vorstehenden Einrichtung sind darauf zurückzuführen, daß Empfänger mit Hall-Effekt verwen­ det werden, die eine geringe Hysteresis aufweisen und von geringen Abmessungen sind. Jedoch haben diese Emp­ fänger den Nachteil, auf eine geringe Änderung des magnetischen Feldes anzusprechen, so daß die Verrie­ gelungseinrichtung unbedingt unerläßlich ist, um die Zählung von Fehlimpulsen zu vermeiden, die durch die schwebenden Bewegungen verursacht werden.

Claims (11)

1. Volumetrischer Zähler mit schwingenden bzw. oszil­ lierenden Ringkolben (12), insbesondere für die Messung des Kraftstoffverbrauches bei Verbren­ nungsmotoren, bestehend aus einem Gehäuse (10), in welchem sich der Ringkolben (12) mit mindestens einem magnetischen Erreger (14) befindet, sowie einem Stator, der mindestens mit einem im Gehäuse (10) eingebauten Empfänger (17) ausgerüstet ist, und einem elektronischen Modul (18) für die Zäh­ lung der vom Erreger (14) erzeugten und vom Emp­ fänger (17) erfaßten Impulse dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkolben (12) mit einem separaten Rotor (13) gekoppelt ist, der von dem Ringkolben (12) angetrieben ist, wobei der Rotor einen oder mehrere magnetische Erreger trägt, um ein Magnetfeld in Richtung einer radialen Achse des Rotors zu erzeugen, und daß das elektronische Modul (18) eine Verriegelungseinrichtung (V) für die Sperrung jedes Emp­ fängers (17) enthält, wenn die Impulse des magne­ tischen Erregers (14) einer vorherbestimmten Rei­ henfolge nicht entsprechen.

2. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Gehäuses, in dem die Empfänger (17) eingebaut sind, aus einer Verschlußplatte (15) be­ steht, und daß die Empfänger (17) in Sacklochboh­ rungen (16) angeordnet sind, die in der Dicke die­ ser Platte ausgeführt sind.

3. Zähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sacklochbohrungen (16) auf einem Kreis konzen­ trisch zum Rotor (13) angeordnet sind.

4. Zähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sacklochbohrungen (16) einen regelmäßigen Ab­ stand voneinander aufweisen.

5. Zähler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sacklochbohrungen (16) unregelmäßige Abstände voneinander aufweisen.

6. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (17) und das elektronische Modul (18) in einem polymerisierbaren Kunststoff einge­ bettet sind.

7. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (18) Einrichtungen ent­ hält, um die Laufrichtung des Erregers (14) gegen­ über dem Empfänger (17) festzulegen.

8. Zähler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Modul (18) auf der Verschluß­ platte (15) angeordnet ist.

9. Zähler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anschlußstellen (19) der Empfänger (17) über den entsprechenden Sackbohrungen (16) be­ finden.

10. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mindestens mit zwei Empfängern in ein­ poliger Bauart (21, 22) versehen ist.

11. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (17) Hall-Effekt-Empfänger sind.