DE4423461A1

DE4423461A1 - Volumeter

Info

Publication number: DE4423461A1
Application number: DE19944423461
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Moser; Michael Dipl Ing Dr Wincek; Hans-Ulrich Blos
Original assignee: Leistritz AG
Current assignee: Leistritz AG
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 1996-01-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Volumeter zur Messung des Durchflußvolumens einer Flüssigkeit auf der Basis einer Schraubenspindelanordnung in einem Volumetergehäuse mit einem Anström- und einem Abströmflansch, einer Sensoranordnung und einer elektronischen Auswerteschaltung.

Aus der Patentliteratur sind Volumeter bekannt, die auf Flügelrad- bzw. Zahnradanordnungen basieren. Das Meßprinzip beruht dabei darauf, daß durch die durchströmende Flüssigkeit ein Flügel- oder Zahnrad in Rotation versetzt wird und pro Umdrehung des Flügel- bzw. Zahnrades ein definiertes Flüssigkeitsvolumen durch das Volumeter strömt und die Rotation des Flügel- bzw. Zahnrades an einem Polrad durch eine Sensoranordnung detektiert wird. Eine Anordnung (DE 34 29 326) ermittelt die Drehzahl und Drehrichtung mit Hilfe von drei in die Flüssigkeit eintauchende Elektroden über die Veränderung der Impedanz der Flüssigkeit zwischen den Elektroden bei Rotation eines Flügelrades. In der Schrift DE 39 42 857 wird ein Kolbenmesser für Kraftstoffe beschrieben, bei dem die Kolbenbewegung in eine Rotation einer Achse umgewandelt wird und diese Achse mittels einer Drehdurchführung aus dem Volumetergehäuse herausgeführt wird. Die Rotation wird mittels einer Lichtstromunterbrecherscheibe optisch detektiert. Um ein Rückwärtslaufen des Kolbenzählers zu verhindern, ist auf der Anströmseite des Volumeters ein Rückschlagventil angeordnet und weiterhin ist die Achse mittels einer mechanischen Rücklaufsperre gegen eine Rotation im nicht bestimmungsgemäßen Drehsinn gesichert.

In der Patentschrift DE 26 21 179 wird eine Schaltungsanordnung zur Drehzahl- und Drehrichtungserfassung rotierender Teile beschrieben, bei der drei um jeweils 120 Grad zueinander versetzte Abtaster die gleichnamige Flanke eines Rastersignals erfassen. Die Flanken der Impulse werden jeweils über eine monostabile Kippstufe als Puls auf elektronische Speicher gegeben. Durch logische Verknüpfung wird ein Signal für die Drehrichtung abgeleitet und durch Bestimmung der Impulsfrequenz die Drehzahl ermittelt.

Die bekannten eichfähigen Volumeter für Flüssigkeiten, wie sie z. B. bei Kraftstoffzapfsäulen eingesetzt werden, zeichnen sich dadurch aus, daß sie ein Rückschlagventil enthalten, um eine Rückströmung der Flüssigkeit aus dem Zapfschlauch in das Kraftstoffreservoir zu verhindern. Dadurch wird erreicht, daß der Schlauch stets mit Kraftstoff gefüllt bleibt und bei der Bestimmung des gezapften Volumens nicht berücksichtigt zu werden braucht. Damit das Volumeter auch bei Druckstößen, wie sie auftreten, wenn z. B. während des Meßvorganges bei geschlossener Zapfpistole der mit Kraftstoff gefüllte Zapfschlauch von einem Fahrzeug überfahren wird, nicht zerstört wird, ist bei den bekannten Vorrichtungen ein Sicherheitsventil im Anströmflansch integriert, das im Fall eines Druckstoßes öffnet und einen Rückstrom von Kraftstoff im Volumetergehäuse bewirkt. Um Fehlmessungen auszuschließen, ist in den bekannten Anordnungen eine mechanische Rücklaufsperre angeordnet, die das Meßwerk gegen Rückwärtsdrehung blockiert. Ferner weisen die Volumeter für leicht entflammbare Flüssigkeiten aufwendige Konstruktionen auf, um den elektrischen Teil der Sensoranordnung vom Medium räumlich zu trennen und elektrische Bauteile vom explosionsgefährdeten Bereich fernzuhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kompaktes, aus wenigen Teilen bestehendes, eichfähiges Volumeter für Flüssigkeiten, insbesondere auch für brennbare und leicht entzündliche Flüssigkeiten zu schaffen, das unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung das das Volumeter durchströmte Volumen zu jedem Zeitpunkt ermittelt und am Ende eines Meß- bzw. Zapfvorganges bilanziert, ohne daß eine hydraulische oder mechanische Rücklaufsperre eingesetzt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß eine Schraubenspindelanordnung in einem Volumetergehäuse angeordnet ist und daß an einer Schraubenspindel ein Spindelbereich senkrecht zur Spindelachse als Polrad mit wenigstens zwei gleichartigen Polschuhen oder mit einem einzigen Polschuh mit nicht symmetrischen Flanken ausgebildet ist, die mittels Sensoren in diesem Bereich detektiert und in einer elektronischen Auswerteschaltung verarbeitet werden. Dabei wird unter Berücksichtigung der Rotationsrichtung der Spindeln die Anzahl der Spindelumdrehungen und damit das Volumen des durch die Spindelanordnung transportierten Mediums auch bei wechselnden Strömungsrichtungen ermittelt. Die Erfindung wird anhand der Abbildungen näher erläutert.

Zwischen einem Anströmflansch (2) und einem Abströmflansch (3) ist ein Volumeterkörper (1) flüssigkeitsdicht angeordnet. In diesem Volumeterkörper sind zwei Schraubenspindeln (4, 5) mit Kugellagern (6) reibungsarm gelagert. Die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gemessen werden soll, strömt durch die Öffnung (20) im Anströmflansch über Kanäle (7), die bis an die Spindelschulter (8) heranreichen, an den Kugellagern (6) vorbei in die Förderkammern (9) die durch die gegensinnig sich drehenden Schraubenspindeln gebildet werden, und zum Abströmflansch hin wandern. Im Bereich einer Spindel befindet sich ein Polrad (30), auf dem Polschuhe (31) angebracht sind.

Der zur Ermittlung des durchströmten Volumens notwendige Gesamtdrehwinkel einer Spindel bzw. des Polrades (30) wird mittels einer elektronischen Schaltung unter Verwendung einer Sensoranordnung, beispielsweise aus zwei Sensoren bestehend, detektiert und mit Hilfe eines Kalibrerfaktors (durchströmtes Flüssigkeitsvolumen pro Polradumdrehung) zu dem durchströmten Gesamtvolumen verrechnet.

Die Signale (40) von den mit den geeigneten Versorgungsspannungen beaufschlagten Sensoren (32) werden in einem Vorverstärker mit Schmitt-Trigger (41) in Digitalsignale gewandelt und in einer elektronischen Auswerteschaltung (42) digital weiterverarbeitet. An der Auswerteschaltung ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Anzeigeeinheit (43) angeschlossen und die Daten aus der Auswerteschaltung werden über eine Datenleitung (44) an einen Zentralrechner übermittelt.

Die Polschuhe (31) des Polrades (30) werden über zwei Sensoren (32), die gegenüber dem durchfließenden Medium abgedichtet sind, nachgewiesen und die Signale in elektronischen Schaltungen, die außerhalb des Volumeterkörpers angeordnet sind, ausgewertet.

Durch Einschränkungen in der Viskosität des Mediums kann es notwendig sein, das Polrad so zu gestalten, daß es einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweist. In diesem Fall empfiehlt sich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Spindel selbst als Polrad ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Spindel magnetisiert, das Gehäuse nicht magnetisch (z. B. aus Bronze gefertigt) und der Sensor ein Hallsensor.

Bei Verwendung eines Polrades, das zwei Polschuhe enthält, ist es möglich, durch Magnetisierung der Polschuhe unter Verwendung eines einzigen magnetischen Sensors sowohl Drehzahl als auch Drehrichtung zu bestimmen. Unterschiedliche Signale in den Sensoren werden beispielsweise auch dadurch erzeugt, daß, wie in einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt wird, die Polschuhe ein unterschiedliches Profil aufweisen, so daß die Sensoren bei einer gleichförmigen Drehbewegung der Spindel unterschiedlich lange elektrische Signale generieren.

Für die Erfindung ist es unwesentlich, ob sich die beiden Sensoren in einem einzigen Gehäuse befinden oder ob sie in zwei getrennt voneinander angeordneten Gehäusen untergebracht sind. Bei Einzelsensoren können magnetisch-induktive Sensoren, Hallgeber, Feldplatten oder Fotodioden verwendet werden. Auch die Verwendung einer Reflexlichtschranke ist möglich, wenn das Medium eine genügend hohe optische Transparenz besitzt.

Für die elektronische Auswertung des Drehwinkels und der Drehrichtung ist es notwendig, daß die Winkelauflösung der Sensoren kleiner als das 0,9-fache des Winkelabstandes der Sensoren und kleiner als das 0,9-fache der Winkelbreite des Polschuhes ist. Die beiden Signale (40), die von den einzelnen Sensoren kommen, werden in einer elektronischen Schaltung (Schmitt-Trigger) gewandelt und in der Auswerteelektronik logisch verknüpft. Ein Schmitt-Trigger-Signal eines Sensors wird in der Auswerteelektronik in einen Zähler eingelesen. Der Zählerinhalt ergibt nach Division durch die Anzahl der Flanken des Polrades die absolute Zahl von Umdrehungen des Polrades an. Kehrt sich die Drehrichtung des Polrades um, so ändert das in der Auswerteelektronik erzeugte Drehrichtungssignal seinen Wert von +1 nach -1. Der mit dem Drehrichtungssignal gewichtete Drehwinkelwert ergibt in der Bilanzierung den Gesamtdrehwinkel des Polrades und damit das Gesamtvolumen, das in der Meßzeit durch das Volumeter geflossen ist.

Ein Beispiel für die technische Realisierung der Drehzahl- und Drehrichtungsbestimmung findet sich in dem Buch von E. Schrüfer: Elektrische Meßtechnik Carl Hanser Verlag 1990, Seite 360-361. Die richtungsabhängige Anzeige beruht auf einen inkrementalen Winkelgeber mit zwei Sensoren, bei der bei beliebiger Bewegung des Rasters der Zählstand die eingenommene Position richtig wiedergibt. Dies gelingt durch die Verwendung von zwei Dektoren, die um ein Viertel des Rasterabstandes versetzt angeordnet sind. Die Ausgangsspannungen dieser Dektoren werden in binäre Signale umgesetzt und auf ein D- Flipflop gegeben. Das Signal des Sensors 1 liegt am D-Eingang, das des Sensors 2 steuert den Takteingang. Wird das Raster im Uhrzeigersinn gedreht, so liefert der Sensor 1 eine Zick- Zack Spannung U und nach den Komparator eine Rechtecksspannung K. Der Sensor 2, der halb von einem Raster bedeckt wird, schlägt dann eine halbe Rasterlänge voll aus und liefert dann ein "1" Signal. Entsprechend dem Winkelabstand der Detektoren sind also auch ihre Signale verschoben. Das angeschlossene D-Flipflop schaltet bei der ansteigenden Flanke des zweiten Signals. Zu diesem Zeitpunkt ist das am D-Eingang liegende Signal des ersten Sensors immer im Zustand "1". Dabei ist bei einer Rasterbewegung im Uhrzeigersinn das D- Flipflop immer gesetzt mit Q = 1 und bei der Rasterbewegung gegen den Uhrzeigersinn immer mit Q = 0.

Praktisch wird in der Auswerteelektronik ein Programm abgearbeitet, wobei die Anzahl der in der bestimmungsgemäßen Durchflußrichtung gezählten Winkelschritte in einem Speicher abgelegt und bei Rückwärtsfluß des Mediums die Anzahl der zurückzuzählenden Impulse in einem separaten Stackspeicher abgelegt wird. Sobald sich die Durchflußrichtung wieder in die bestimmungsgemäße Richtung umkehrt wird der Stackspeicher mit dem bisher aufgelaufenen Summenspeicher verrechnet und die Impulse weiter in den einen Summenspeicher eingezählt. Am Ende der Messung wird die Anzahl der Impulse im Summenspeicher mit dem geeichten Volumen, das pro Impuls bzw. Winkelschritt den Volumenzähler durchströmt hat, multipliziert und das Ergebnis auf einer Anzeigeeinheit angezeigt.

In einer weiteren Ausprägung der Erfindung wird nur ein Sensor und ein Polrad verwendet, das im Sensor für jeden Polschuh unterschiedliche Signale erzeugt. Dabei ist es unerheblich, ob sich die Signale der einzelnen Polschuhe im Detektor wegen zu geringer Ortsauflösung überlappen. In Fig. 4. ist die Prinzipschaltung angegeben und in Fig. 5. ein Beispiel für die Impulsfolge wiedergegeben. In diesem Beispiel wird im Sensor durch das Vorbeidrehen der Polschuhe ein bezüglich der Zeitachse nicht symmetrisches Signal erzeugt. Wird dieses Sensorsignal verzweigt und über zwei Schwellenverstärker (45, 46) mit unterschiedlich hohen Schwellen geschickt, so erhält man am Ausgang dieser Schwellenverstärker Einheitssignale. Das Einheitssignal eines Schwellenverstärkers wird auf einen Vorwärts-/Rückwärtszähler (47) gegeben, wobei die Impulse in den Vorwärtszähler gezählt werden, wenn am Steuereingang (48) des Vorwärts-/Rückwärtszählers ein Signal der Auswerteelektronik anliegt, die feststellt, ob innerhalb der Zeit zwischen den Impulsen des Schwellenverstärkers Nr. 1 und nach einer Pause von mindestens einer Impulsbreite ein Impuls vom Schwellenverstärker Nr. 2 kommt. Kommen die Signale aus den Schwellenverstärkern 1 und 2 innerhalb der Zeitauflösung der Auswerteelektronik zeitgleich, so werden die in den Vorwärts-/Rückwärtszähler eingegebenen Impulse in den Rückwärtszähler gezählt. Am Ende des Meßvorganges wird die Summe aus den Inhalten der Vorwärts- und Rückwärtszähler gebildet, die, mit einem Kalibrierfaktor multipliziert, das durchgeflossene Volumen angibt.

Abbildungen:

Fig. 1 Längsschnitt (B, B′) durch das Volumeter

Fig. 2 Querschnitt (A, A′) durch den Volumeterkörper in der Detektorebene

Fig. 3 Prinzipschaltplan der Auswerteelektronik

Fig. 4 Prinzipschaltplan der Elektronik bei Verwendung nur eines Sensors

Fig. 5 Zeitliche Folge und Form der Signale bei Verwendung eines Sensors

a) bei kontinuierlicher Drehung des Polrades im Uhrzeigersinn
b) bei Richtungsumkehr der Drehrichtung nach dem ersten Signalmuster

Bezugszeichenliste

1 Volumeterkörper
2 Anströmflansch
3 Abströmflansch
4 Schraubenspindel mit Polrad
5 Mitnehmerspindel
6 Kugellager
7 Strömungskanal
8 Spindelschulter
9 Förderkammer
12 Achse der Mitnehmerspindel
13 Achse der Polradspindel
14 Achse der Detektorbohrung
20 Einströmöffnung
30 Polrad
31 induktiver Näherungsschalter
32 induktiver Näherungsschalter
40 Sensor
41 Vorverstärker mit Schmitt-Trigger
42 elektronische Auswerteschaltung
43 Anzeigeeinheit
44 Datenleitung zum Zentralrechner
45 Schwellwertverstärker mit Schwelle 1
46 Schwellwertverstärker mit Schwelle 2
47 Vorwärts-Rückwärtszähler
48 Steuereingang für Vorwärts- bzw. Rückwärtszählung

Claims

1. Volumeter zur Bestimmung des Durchflußvolumens einer Flüssigkeit durch einen Volumeterkörper in einer bestimmungsmäßigen Richtung, bestehend aus einer Anordnung von wenigstens zwei ineinandergreifenden, Kammern bestimmten Volumens ausbildende Schraubenspindeln, die in einem Volumeterkörper leichtgängig gelagert sind, einem auf einer der Spindeln drehstarr angeordneten Polrad, einer in unmittelbarer Nachbarschaft zum Polrad angebrachten Sensoranordnung und einer elektronischen Auswerteschaltung, wobei das Polrad an seinem Umfang Strukturen aufweist, die am Ort des Sensors physikalische Effekte erzeugen, welche im Sensor zur Änderung des Ausgangssignales führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Polrades, in der Sensoranordnung abgebildet, an keiner Stelle des Vollwinkels symmetrisch sind, daß die Sensoranordnung aus wenigstens einem, durch die Strukturen des rotierenden Polrades beeinflußten Sensor besteht und daß die elektronische Auswerteschaltung aus dem Sensorausgangssignal die Drehzahl und die Drehrichtung ermittelt und zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der Polradumdrehungen in der bestimmungsmäßigen Drehrichtung bilanziert.

2. Volumeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Polrades aus 2 metallischen Polschuhen unterschiedlicher Winkelbreite in einem Winkelabstand von < 90° gebildet sind und der Sensor ein induktiver Geber ist.

3. Volumeter nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Polrades aus 2 Polschuhen mit diffus lichtreflektierender Oberfläche und unterschiedlicher Winkelbreite mit einem Winkelabstand von < 90° gebildet sind und die Sensoranordnung aus einer die Oberfläche der Polschuhe bestrahlenden Lichtquelle und einem analogen Reflexions-Photodetektor besteht.

4. Volumeter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektronische Auswerteschaltung das Sensorsignal an wenigstens zwei Schwellenwerten abtastet, aus einem Schwellensignal die Anzahl der Umdrehungen des Polrades und aus der zeitlichen Korrelation der Schwellensignale die Drehrichtung ermittelt und zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der Polradumdrehungen in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung bilanziert.

5. Volumeter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteschaltung eine elektronische Schnittstelle aufweist, über die die Auswerteergebnisse an eine Anzeigeeinheit übergeben werden.

6. Volumeter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Polrades aus anisotrop magnetisierten Bereichen einer Schraubenspindel bestehen und die Sensoranordnung aus einem magnetischen Hallsensor besteht.