JP2008501940A - 流量センサおよび媒体の体積および／または媒体の流速を測定する方法 - Google Patents

Abstract

流量センサは測定チャンバを有しており、当該測定チャンバ内には媒体が流入し、再び流出し、当該媒体の体積および／または流速が測定されるべきである。この測定チャンバ内には、自由に回転可能に支承された測定ツールが設けられている。さらに磁界および／または磁界の変化を測定する少なくも１つのセンサが設けられている。さらに１つまたは複数のセンサの出力信号が供給される回路装置が設けられている。前記１つまたは複数のセンサは出力信号を出力し、これを前記回路装置に供給する。出力信号は周期的に、測定ツールのうちの１つの測定ツールの個々の歯および属する歯の隙間の各通過時に最小値と最大値の間で変動する。当該出力信号は前記歯の位置に依存して、前記１つまたは複数のセンサに相対して再現可能な中間値をとる。前記回路装置は、前記１つまたは複数のセンサの出力信号から固有の出力信号を形成するように構成されており、当該出力信号は前記中間値を計数可能な値に置き換え、当該値は２つの歯の間に送出された体積の部分体積をあらわす。

Description

本発明は、測定チャンバを有する流量センサに関する。この測定チャンバ内には媒体が流入し、再び流出する。この媒体の体積および／または流速が測定されるべきである。流量センサは、この測定チャンバ内に配置された、自由に回転可能に支承された測定ツールと、磁界および／または磁界の変化を測定するための少なくとも１つのセンサと、この１つまたは複数のセンサの出力信号が供給される回路装置とを有している。

本発明はさらに、流量センサによって媒体の体積および／または流速を測定するための方法に関する。この流量センサは測定チャンバを有しており、この測定チャンバ内には、自由に回転可能に支承された測定ツールが配置されており、さらにこの測定チャンバは、磁界および／または磁界の変化を測定するための少なくとも１つのセンサを有している。

流量センサは、体積センサとも称される。これは通常は、排水カウンタとして構成されている。例えばこれには、歯車センサ、ねじスピンドルカウンタ、オーバル歯車式流量計、シリンダ状ピストンカウンタまたは測定タービンまたは歯車調量ポンプが挙げられる。これらは、媒体（ここでは流体）が測定機器を通過した体積、流量または速度を測定するために用いられる。流体は液体、ペーストまたは気体であってよい。

流量センサは実際には頻繁に、狭義の測定器のことではない。なぜなら、評価電子回路は機器の一部ではなく、外部にあるからである。しかし、頻繁に概念「流量測定機器」が使用され、「測定チャンバ」および「測定ツール」等も使用される。流量センサはしばしば、体積センサ、フローセンサ、流量測定機器および他の形としても称される。

体積センサまたは流量センサは単に流量または流れた体積を測定し、信号を評価ユニットまたは評価電子回路へ送出し、ここからはじめて測定値が形成される。概念「流量センサ」が以降で使用される。狭義の意味での機器内の特定の構成素子、測定部またはセンサとの混合は、完全な名称を使用することによって回避されるであろう。

主な流量センサまたは体積センサは、回転している歯車の運動を走査することで共通している。歯車センサでは例えば、相互にかみ合っている２つの歯車が自由に回転可能に支承されている。媒体（通常は流体、例えば液体または気体）が２つの歯車に供給され、詳細にはこれらの歯車が相互にかみ合う領域に供給される。媒体はこれを通って、２つの歯車の歯の隙間内に交互に設けられている室内に達する。次に流れる媒体によって、歯車のこの室内にある量が流入側から流出側へ搬送され、その後、歯の運動を介して歯車が回転する。ここで２つの歯車の回転は反対方向である。歯車を取り囲んでいるハウジング内には、磁界を形成する磁石が配置されている。この磁界は、回転している歯車によって影響される。磁界のこの変化は１つまたは複数の相応するセンサによって走査される。

ここで、１つまたは複数のセンサの下を通過する歯車の各歯によって走査可能なパルスが生じる。ここでこのパルスの数から、どの角度で歯車が回転したのかが推測され、ないしは歯車が特定の時間空間の間に全体で何回転したのかが推測される。この表示から、流量センサを通って流れる流体または他の媒体の量が導出される、または流体の搬送量速度が特定される。当然ながら、調整技術では、調整ループにおける反対方向において、搬送されるべき媒体の量に対する特定の目標値または流速に対する目標値が定められる。これはその後、流量センサがポンプとともに相応に見据え制御する。

この種の装置は以前から成果を伴って市場に出回っており、例えば既にＤＥ２５５４４６６Ｃ３号から公知である。殊に、送出されるべき媒体が少量であってもできるだけ正確に測定することができる、ないしは送出速度に関してできるだけ正確に表示をすることができる流量センサが望まれている。送出されるべき媒体の測定可能な最小量は、歯車の２つの歯の間に生じている角度ぶんの歯車の回転に相当する量から成る。これは、歯車の回転時には数えられた２つのパルスの間の空間に相当する。この体積は、量が多い場合には測定の不正確さも定める。これは「歯と歯の隙間の体積」とも称される。流量センサの構造サイズに対する表示でもある。

例えばこのような９つのパルスである量が送出される場合、測定機器はこの「歯と歯の隙間の体積」または最小体積のどのくらいの部分が第１のパルスの前に、および第９のパルスの後に、測定機器を通って流れたかに関して情報を示さない。すなわち値「９パルス」は送出された量をあらわし、その量の体積は例えば、最小体積の８倍より僅かに多い体積と、ほぼ１０倍である。流量が少ない場合、または送出速度が非常に遅く、同じように迅速に変化する送出速度の場合にもこれは非常に重大な測定不正確さになってしまう。

この問題は既に知られており、例えば米国特許第４６４１５２２号ではこのためにセンサを配置し、２つの歯車の動きを測定に使用することが提案されている。類似の提案がＥＰ０７４１２７９Ｂ１号に開示されており、ＥＰ０６４２００１Ａ２号はむしろセンサの完全なリングを環状に配置し、できるだけ多くの測定を行うようにすることを提案している。

これらの全ての提案の目的は、測定の回数または測定機会の回数を増やすことによって、２つのパルスの間の対象媒体の送出されるべき最小体積を低減させ、測定精度を高めることである。これらの装置全ての欠点は、甚大な装置構成である。これは付加的なセンサおよびこれに必要なリード線によって生じる。

同時に次のことが注意されなければならない。すなわち、測定が場合によって、および具体的な目下の要求に従って、比較的高温の、流体または気体で行われなければならないということにも注意されなければならない。これは装置密度に対する高いコストを促す。なぜならこれは、有毒の、可燃性または高価な流体でもあり得、従って流体および気体が完全に攻撃性媒体でもあり得るからである。これら全てが相応の装置を場合によっては非常に複雑にし、高価にしてしまう。

機械的にもこれは同じように、できるだけ小さい歯車が使用されて試みられる。しかしこれは、このような測定装置では大量の流体または迅速に流れる流体、特に気体が有意義に処理されないという欠点を有している。

本発明の課題は、僅かな装置コストで測定精度を改善することができる流量センサの実用的なソリューションを提案することである。

上述の課題は、次のような流量センサによって解決される。この流量センサは測定チャンバを有しており、この測定チャンバ内には媒体が流入し、再び流出する。この媒体の体積および／または流速が測定されるべきである。この流量センサはさらに、測定チャンバ内に配置された、自由に回転可能に支承された測定ツールと、磁界および／または磁界の変化を測定するための少なくとも１つのセンサと、この１つまたは複数のセンサの出力信号が供給される回路装置とを有している。この流量センサは、１つまたは複数のセンサが出力信号を出力し、回路装置に供給され、この出力信号は周期的に、測定ツールのうちの１つの測定ルールの個々の歯およびそれに属する歯の隙間の回転時に最小値と最大値の間で変動し、歯の位置に依存して、１つまたは複数のセンサに相対して、再現可能な中間値をとり、回路装置は、１つまたは複数のセンサの出力信号から独自の出力信号を形成するように構成されており、この出力信号は、中間値を、２つの歯の間に送出された体積の部分体積をあらわす計数可能な値に置き換えることを特徴とする。

これによって驚くべきことに上述の課題が解決される。従来技術ではまだ、センサは、センサの下をちょうど歯が通過したことだけを示すだけだったが、本発明では信号はより構造化され、この構造が再び評価される。すなわち、「ピーク」またはデジタル信号だけが、歯がセンサを通過した時に出力されるのでなく、最大値と最小値の間で周期的に変動する信号が出力される。これには殊に正弦波信号が適している。なぜなら、相応する磁界センサによって実用的に示され、特に正確でかつ容易な使用を可能にするからである。

ここでテストにおいて、巨大磁気抵抗を使用するセンサが特に有利であることが認められている。他の関連では、既に、巨大磁気抵抗の効果を使用するセンサによって、位置のより正確な分解が可能であることが試みられている。従ってＤＥ２９６１２９４６Ｕ１号は、歯車を有する強磁性センサを提案している。ここでは巨大磁気抵抗を使用しているセンサであるＧＭＲセンサが端面で歯車の前に配置されている。この文献によると、少なくとも論理的には、歯または隙間に相対したセンサ位置も識別可能である。

「GMR Sensors Data Book（NVE Corporation, Eden Praeirie, Minnesota, USA, 2003年4月）」は類似の形状においてこの手法を暗に意図している。ＧＭＲセンサの特徴は興味深いが、フローセンサでの実現はまだ可能ではなかった。フローセンサの場合の要求は、通常の歯車センサのそれとは全く異なる。歯車外での半径の配置、すなわち、歯に対して端面での配置は既に、場所の理由から実現可能ではない、特に通常では２つの歯車は相互にかみ合わなければならない。測定チャンバの領域内の圧力は約６０ＭＰａ〜８０ＭＰａである（６００Bａｒ〜８００Bａｒ）。測定されるべき流体は、場合によっては攻撃性の液体および／または導電性の液体または温度が非常に変化しやすい流体、さらに非常に高温または非常に低音の流体であり得る。従ってフローセンサの分野における当業者は、できるだけ影響を受けない、確実かつ信頼のおけるセンサを所望している。従ってより高い分解能は上述したように常に、できるだけ多くの、公知かつ適切なセンサの配置によって実現される。その測定値は相互に比較される、または相互に入り組み、各イエス−ノーデータから、送出された全測定体積数に関する表示が得られる。

しかし本発明の解決方法では、複数または多数のセンサをこのように複雑に配置することなく、非常に正確な測定が得られる。すなわち本発明では、正弦波信号は完全な正弦波振動介して走行し、運動時に歯は先行する歯の位置を取る。これによって正弦変動の各値は、正弦変動の相応する上昇とともに、歯が特定の時点で正確にどこに位置するのかを明確に示すことができる。すなわち１８０°の正弦変動は、半分の「歯と歯の隙間体積」の送出に相当する；４５°の正弦変動は、「歯と歯の隙間体積」の８分の１の流れに相当する。

センサが１つだけでなく、少なくとも２つのセンサが使用されるのは、本発明にとって非常に有利である。特に、少なくとも２つのセンサが１つの測定ツール上で、すなわち殊に同じ歯車上で使用されるのは有利であることが確認されている。少なくとも２つのセンサを１つの歯車上に配置することは、殊に次のような利点を有する。すなわち、歯車の回転方向変換時に相互の歯車の遊びが信号検出内に消滅してしまうことが回避されるという利点を有する。これは有利には相互の間隔において、同じ測定ツール、すなわち同じ歯車の運動を測定する。この間隔は、正弦変動の使用時には次のように選択される。すなわち、同じ歯車が回転しているときには、他方のセンサが余弦波振動を形成している間に、一方のセンサがまさに正弦変動を出力するように選択される。ここで同じ歯がスキャンされる場合、すなわちこれは２つのセンサを相互に振動の９０°だけオフセットしたことに相当する（電気的に見て）。これは歯のピッチ（Zahnteilung）の４分の１ぶんだけの相対的なオフセットと同じ意味である。

しかし、２つの隣接する歯、または２つのさらなる、相互に離れている歯を走査することも可能である。なぜなら、歯車には対称的かつ規則的に配分されている歯が装備されており、従って歯の動きは常に、同じ歯車上の他の歯の動きと同期しているからである。すなわちここでは配置に対して、具体的な構成要求が全円周において考慮されている。

当然ながらここで有利には、歯に対する同一の位置の場合に２つのセンサは同じ出力信号を送出するであろう。これは、９０°のオフセットの場合の、正弦波信号と余弦波信号の上述の例である。すなわちこのような信号から、自動的に、信号の上昇を考慮することなく迅速、かつ明確に歯の位置が考慮される。すなわち微細な区分が生じる：これに対して２つのセンサ測定値の位置または他の組み合わせをとる場合には、該当する測定ツールないし歯車の正確な歯の位置および回転方向、ひいては媒体の流れの方向もさらに詳しく確かめられる。

このようにして例えば２つの正弦波信号ないし余弦波信号も、加算理論に相応して加算され、結果がその後コンパレータに供給される。ここから特に高い分解能が得られる。この方法はこの実施形態において、非常に高い変化周波数を生じさせ、使用されているコンパレータの数の多さに相応して高い分解能を生じさせる。

評価部は、この加算によって、良好に識別可能な信号を供給するので、歯の角度位置に対する割り当てを非常に正確に特定することができる。

ここから、特に有利には正弦波信号ないし余弦波信号が再現可能であり、同じ電圧レベルＵ_ｓｓを有する。これによって補間が特に良好に行われる。

従って、正弦波信号ないし余弦波信号がその正弦波形状の経過を非常に正確に有しているのは特に有利である。この経過特性が正確に数学的な正弦曲線に相応すればするほど、歯の角度位置がより正確に識別される。

ここで特に有利には、この正弦波形状の経過特性は、温度または目下の流れの状態にも影響されない。

従来技術では、これは可能ではなかった。各磁気抵抗素子は微分センサの場合に異なる高さの電圧を生じさせ、形成された信号は同じ電圧レベルに保持されない。さらにこの信号は所望の意味での正弦形状経過特性を有していない。

さらに本発明では有利には、スイッチング装置として前置増幅器が使用される。前置増幅器の使用は、センサから出力された、場合によっては非常に小さい信号を、評価電子回路によってより良好に置きかえられる信号に置き換えるのに元来有意義である。これは殊に、評価電子回路がある程度の距離を介してセンサから離れている場合である。

前置増幅器ないしはスイッチング装置はここで有利には、３つの出力信号を送出するように装備されている。これらの出力信号のうちの２つはここで相互にそれぞれ半分のパルス幅分だけオフセットされる。すなわち、このパルスが供給される評価電子回路はこれらを正確に割り当てることができ、非常に僅かなノイズの影響の受けやすさは、簡単なカウンタによって、歯車ないし測定ツールの元来の状態を逆推論することができる。

ここで有利には、歯が１つの完全な歯のピッチ分だけセンサに相対してさらに動いたときに、第３の出力信号が１つのパルスを形成する。零信号とも称されるこの第３の信号は、流れまたは体積の同期または粗測定にも使用される。

本発明の方法では上述の課題は次のことによって解決される。すなわち、１つまたは複数のセンサが出力信号を出力し、回路装置に供給し、この出力信号は周期的に、測定ツールの個々の歯の通過時に、最小値と最大値の間で変動し、１つまたは複数のセンサと相対して、歯の位置に依存しないで、再現可能な中間値をとり、回路装置は、１つまたは複数のセンサの出力信号から独自の出力信号を形成するように構成し、この出力信号は、この中間値を計数可能な値に置き変えることによって解決される。

この方法は、流量センサに関して上述した利点によって、上述の問題の優良な解決方法を提供する。

本発明の実際の使用ケースは例えば、小さい直径または大きい直径を有する水圧シリンダーでの変位測定、圧力、温度または他の測定量に依存したポンプ、水力発動機、揺動形アクチュエータ等での特性曲線の設定でもある。

本発明は、歯車センサでだけでなく、他の流量センサでも使用可能である。これに相応して本出願では概念「歯」は比較可能なエレメント、例えば、ねじスピンドルカウンタのまわりを螺旋状に取り囲んでいるリブ等も含む。

以下で図面に基づいて本発明の幾つかの実施例をより詳細に説明する。

図１ 概略的に示された評価部を有する本発明の流量センサの概略的斜視図
図２ 物理量「体積」の分解を説明する概略図
図３ 物理量「流速」の分解をより詳細に説明する概略図
図４ 実施例での種々の測定され、評価された曲線を示す概略図
図５ 種々の分解能での、アナログ測定値の特性に対する概略図
図６ 流速が変化した場合の測定値の特性に関する概略図
図７ 方向制御弁での零通過の測定の概略図
図８ 方向制御弁での測定設定の２つの概略図

図１では、流量センサのデータ評価の基本的な原理が示されている。ハウジング内には、測定チャンバ（両方とも図示されていない）が設けられている。この測定チャンバ内では第１の測定ツール３０、殊に第１の歯車が図の左側に見て取れる。この第１の測定ツール３０ないし第１の歯車は、垂直軸３１を中心に自由に回転可能であり、外部の歯３２を有している。この外部の歯はここで図面では全体として、その包括曲線で再現されている。

この第１の測定ツール３０は、実質的に同一に構成された第２の測定ツール４０、すなわち殊に第２の歯車とかみ合っている。この第２の測定ツールは、軸３１と平行な軸４１を中心に自由に回転可能である。この第２の歯車ないし第２の測定ツール４０は、歯４２を有している。これについてはここでは同じように包括曲線しか示されていない。

２つの測定ツール３０および４０の歯３２および４２は、２つの歯車ないし測定ツールの間の中央領域で相互にかみ合っている。これによって、２つの測定ツール３０、４０は反対方向に回転する。

媒体、すなわち殊に流体が、相互にかみ合っている歯３２、４２の前の領域または後ろの領域内に供給されると、２つの歯車ないし測定ツール３０、４０は上述した反対回転になり、反対の側で、かみ合っている領域から再び流出する。測定チャンバにおける流入および流出はここではわかりやすくするために省かれている。相互にかみ合っている歯３２、４２の間の歯の隙間によって構成されている室内の、かみ合っている領域の中に達することなしに、この媒体ないし流体Ｆは２つの測定ツール３０、４０を流れて通過することはできない。変化によって、歯３２、４２は流れ方向に動かされ、これによって回転が開始される。相互にかみ合っている歯から体積が、歯および歯の隙間および測定チャンバの寸法によって正確に設定され、排水されるので、２つの歯車の回転数から論理的に、どのくらいの体積ないし体積流量がかみ合っている領域を通って排水されたのかを正確に読み出すことができる。

２つの測定ツールないし歯車の間のかみ合っている領域は、媒体に対して常に遮断部を形成する。媒体の体積は流入側から歯車の外部領域の流出側へ搬送される。流出側でのかみ合っている領域でこの体積は排水され、従って再び外に出される（排水原理）。

測定チャンバの周囲のハウジング内には、２つのセンサ５１、５２が配置されている。測定チャンバおよびハウジングは図では省かれているので、２つのセンサ５１、５２は直に第２の測定ツール４０の上方に、より正確に表現すれば第２の測定ツール４０の歯４２の上方に見て取れる。センサ５１、５２は当然ながら測定ツール４０とともに回転するのではなく、測定チャンバの内壁に固定して配置されている。

センサ５１、５２は、相互に９０’の間隔を有している。この９０"は、歯車ないし第２の測定ツール４０に対する幾何学的なものと理解されるべきではなく、その下を動く個々の歯４２の動きに関している。すなわち、この領域において磁界が形成され、この磁界は動いて通過する歯４２によって変えられる。歯および全体的な測定ツール４０はこの目的のために強磁性に構成されている。

個々の歯４２も相互に同じであるので、個々の歯が２つのセンサ５１、５２のうちの１つのセンサの下を通過すると、後続の歯が再び正確に、自身の先行する歯の位置にあり、これによって磁界が自身の元来の形状を再びとるまで正弦曲線が生じる。

このときに第２のセンサは９０°だけ、この変化に関してオフセットされている。すなわち、１つの具体的な歯に割り当てられている角度の４分の１だけ、第１のセンサ５１に対してオフセットされている。これは具体的な歯の上に落ちる。例として例えば、１２個の歯を有する歯車が使用されている場合、これらの各歯には、測定ツール４０の円周の３００が割り当てられる。（１２×３０°＝３６０°）。この場合には、２つのセンサ５１および５２は相互に、第２の測定ツール４０の円周上で、この角度の４分の１だけ、すなわち７．５°だけ離れている。

第１の測定ツール４０において歯５２の配置は対称であるので、２つのセンサ５１と５２の間で、３７．５°の角度間隔が生じる。なぜならこの場合には周期的な特性に基づいて４５０°の角度オフセットも生じるからである。すなわち、個々の歯に相対する９０°と等しい。

２つのセンサ５１および５２は、自身の出力信号を前置増幅器７０に出力する。この前置増幅器は、自身に供給された信号から３つの出力信号７１、７２および７３を形成する。これらの出力信号は以下でさらに詳細に説明される。これらの出力信号７１、７２および７３はその後、さらなる処理のために外部の電子回路８０に供給される。

相互に９０°オフセットされたセンサ５１および５２は、磁界変化によって生じる磁界変動の周期性に基づいて、正弦波信号および余弦波信号を生じさせる。前置増幅器７０はここでこの正弦波信号および余弦波信号からデジタル信号７１および７２を２つのチャネル上に生じさせる。ここで前置増幅器７０内には、流体Ｆの特定されるべき測定体積の分解に対するプログラミングされた補間ファクタが存在する。

さらに第３の信号７３として零信号Ｚが形成される。この零信号Ｚは、後続の歯４２が正確に自身と交代する限り、それぞれ完全な正弦波振動、すなわち歯の運動に相応する。

信号７１、７２および７３はその後、さらなる処理のために、外部の評価電子回路８０に出力される。評価電子回路８０はその後、信号の目下の周波数から流量または流量速度を時間と関連して計算する。この場合、デジタルカウンタによって評価電子回路８０は、自身に供給される個々のパルスを容易に計数することができ、カウンタ状態から、対象である流体の処理された体積を計算することができる。

余弦波信号に対する正弦波信号の比率から、個々の歯４２の正確な位置ひいては正確な角度位置が識別される。従来技術とは異なって、これによって、歯の数だけが特定されるのではなく、中間位置も特定される。すなわち次の場所への歯の完全ではない動きも、分解のために、一種の補間によって考慮することができる。

一方でのパルスの数と、物理量の分解との間にどのような関係が生じているのかを示すために、図２において、測定されるべき媒体、殊に流体の物理量「体積」の分解能（Aufloesung）に対するダイヤグラムが再現されている。

ここでは左側から右側へ、時間（ｔ）が横軸上で示されており、下方から上方へダイヤグラムが３つの区間に分割されている。最上部の３分の１部分は、時間の経過において搬送された体積Ｖをミリリットル（ｍｌ）で示している。中央の３分の１部分は、少数のみの可能なパルスでの経過特性を示しており、最下部の３分の１部分は多数のパルスでの経過特性数を示している。

流量センサの分解能に対する尺度は、いわゆるＫファクタである。このＫファクタは、測定媒体の搬送されたリッター毎のパルス数を示す。測定媒体の１リッター毎のパルスの数が増えれば増えるほど、分解能も高くなる。Ｋファクタから逆数が形成される場合には、直接的に流量センサの測定体積Ｖ_ｍを直接的に得ることができる。すなわち測定体積Ｖ_ｍは、Ｋファクタから導出され、これと同じように、物理量「体積」の分解能に対する尺度を形成する。

例えば中間の３分の１部分を取り、ここから、２５０パルス／リッターのＫファクタＫ_ｇの有効数から出発する場合、測定体積Ｖ_ｍｇに対してさらに０．００４リッター／パルスに相応して４ｍｌまたは４ｃｍ^３／パルスを得る。この体積の部分量はもはや確認不可能である。

基本的に、５０, ０００パルス／リッターのＫファクタＫ_ｈを有する高い分解能の場合にも同じことが当てはまる。しかしこの場合には、測定体積Ｖ_ｍｈは逆数として０．００００２リッター／パルスに相応して０．０２ｍｌ／パルスまたは０．０２ｃｍ^３／パルスである。ここでもこの場合には、より小さい部分量はもはや確認不可能である。しかしいずれにせよこれに対して、０．０２ｃｍ^３／パルスの精度が与えられるだろう。

図２から容易に分かるように、粗い分解能の場合には、測定されたパルスの数から、さらに確かめられる第４のパルスと、もはや生じない第５のパルスとの間のどこに流量があるのか正確に分からない。また下方の３分の１部分では、分解能が高い場合に、類似の精度が非常に微細に生じ、不正確さは次の点においてのみ生じる。すなわち、流れた体積量が２０個目の行われたパルスの近傍にあるか否か、または２１個目のもはや生じないパルスの近傍にあるか否かにおいてのみ不正確性が生じる。

同様のことが当然ながら流れの測定にも当てはまり、従ってこのために図３において比較可能な図が示されている。ここでも、右側へ、時間（ｔ）が横軸上に示されている。２つの下方の３分の１部分は、低い周波数の場合の粗い分解能ないし高い分解能の場合の高い分解能を示し、上方の３分の１部分は、ここでは一定とされる流れを示す。

例えばＱ＝１リッター／分の流れの場合、粗い分解能では、流量センサは４．２Ｈｚの周波数（相応するＱ／Ｖ_ｍｇ）を供給し、分解能が高い場合には、８３３．３Ｈｚの周波数（Ｖ／Ｖ_ｎｈ）が生じる。２つの場合において周波数が０．５Ｈｚだけ変化すると、これは分解能が粗い場合には、１１．９％の変化に相応し、分解能が高い場合には、０．０００６％の変化に相応する。すなわち、高い分解能によって流れの変化は、粗い分解能で可能であるよりも格段に正確に測定される。

当然ながら図３では、通常のように、対象の流れがまさに一定ではないことが考慮されるべきである。当業者には、次のことが自明であろう。すなわち、まさに流れが変化するときに、より多くの情報ないしパルスが、生じている流れの変化の非常に多くの動的測定および迅速な識別および処理も可能にすることが自明だろう。

ここで図４では、図１に示された流量センサによって、正弦関数および余弦関数を詳細に観察して、どのように明確に改善された分解能が可能であるかに対する具体的な実施例が示されている。図４では、従来の構成と比較して１６倍の分解能から出発する。先行する歯の位置への、第２の測定ツール４０の歯４２の動きはここで１６の個々の部分体積において分解可能である。この位置はこれまで、測定体積の搬送に相応していた。

図４では左から右へ、測定されるべき媒体の搬送された体積が示されている。リッターまたはミリリッターまたは立方メートルの他の少部分における体積は、流量センサの大きさに依存するので、目盛りの単位として歯４２の動きが表される。ここで、先行する歯の場所へのちょうど１つの歯の動きに対して３６０°の値が想定される。これは、ｘ軸の下方での測定体積Ｖ_ｍに対する領域表示によって再度付加的に明確される。既に、図１との関連において説明したように、これは当然ながら、歯の全体数に依存して、完全な歯車の回転の一部分にのみ相応する。

センサ５１および５２の下を通過する歯４２の動きは、上述したように、センサ５１の正弦波信号および第２のセンサ５２の余弦波信号を生じさせる。前置増幅器７０はここで、この２つの信号を相互に関連付けることができる。以前のように、パルスが１つだけ定められる代わりに、前置増幅器はここで、正弦波信号がポジティブであるのかまたはネガティブであるのか、上昇しているのかまたは下降しているのか、余弦波信号がポジティブであるのかまたはネガティブであるのか、上昇しているのかまたは下降しているのかを確かめることができる。正弦変動および余弦変動内で特定の値を上回ったことおよび下回ったことまたはその上昇も考慮することができる。

図４は結果も表している。最も上方の３分の１部分ではセンサ５１および５２の２つの出力曲線が、最大値Ｕ_ｓｓおよび−Ｕ_ｓｓの間の正弦変動ないし余弦変動として示されており、この下に前置増幅器７０の３つの出力曲線７１、７２および７３が見て取れる。すなわち上から下へまずはデジタルにチャネルＡ、その後に類似の形状でチャネルＢ、そして最後に下に零信号Ｚが出力信号７３に相応して示されている。これによってここで２２．５°への、すなわち測定体積Ｖ_ｍの１／１６への細かい分割が可能であることが分かる。

所望されている場合には、正弦波信号および余弦波信号を分類する補間ファクタに依存してより細かい区分が可能である。

前置増幅器７０は最終段を有しているべきである。この最終段は３つのチャネル７１、７２および７３に対して、例えば７５オームでのパワーに対する波動インピーダンス整合での、迅速なラインドライバを有している。最終段は、２４ボルトの場合に約３００ｍＡの高いドライバ出力に対する設計を有するプッシュプル最終段を有することができる。これは超過温度時の高い要求のために耐短絡性であるべきであり、エラーを伴って整合された線路の「エコー」に対する出力側も有しているべきである。２４ボルト信号でのデータ伝送は通常は、波動インピーダンスを伴う線路終端なしに行われる。エラー整合された線路終端部は反射の原因となり得る。この反射は、送信側で同じように整合が存在しない場合には、幾重にも往復して走行し得る。迅速なパルス追従の場合には、このような反射によって伝送が妨害されてしまう恐れがある。

従って前置増幅器７０と評価電子回路８０の間の接続線路が長い場合、並びに、所望されている分解能が高い場合には、約４０〜１５０Ωの波動インピーダンスを有する線路が使用されるべきであり、評価電子回路に相応の接続抵抗が接続されるべきである。伝送線路と終端波動インピーダンスの最適な整合によって、最大の線路長さは１５０〜２００ｍに達する。

有利には、妨害に対する安全性はさらに、大きい出力増幅および集積された波整合部によって改善される。信号が受信側で光結合部を介して供給される場合にはさらに、送信側および受信側との間で付加的に直流的な分断が得られ、このようにして電位差が回避される。

反射を逆戻りさせる信号は、前置増幅器の最終段において、集積された波動インピーダンス整合部によって阻止される。この整合部によってさらに、妨害に対する安全性が高まる。

本発明の流量センサによって、用途に対する多数の付加的な可能性が開示される。達成可能な高い分解能、ひいては体積流に関する多数の情報によって、流れ自体および搬送された体積の改善された、より正確な評価が実現される。

ここで比較的高い粘性を有する媒体をより正確に測定することも可能である。媒体の粘性が高い場合には、流量センサで比較的高い圧力降下が生じる。この圧力降下を低減するために通常は、元来必要とされているのよりも大きい構造の流量センサが取り付けられる。この結果、流量センサは下方の測定領域においてのみ作動し、すなわち上述したように特に不正確な情報しか供給しない。しかし本発明の構想によって、このような場合においても分解能は格段に上昇し、この結果、高い粘性を有する媒体も、その搬送時に、比較的正確に表される。

この流量センサが調量装置として使用される場合、ここでも格段に正確な調量が可能になる。設定調整された分解能の程度に依存して、従来技術において可能であるよりも非常に多くのパルスが計数可能になる。このような高い解像度によって、ここでは体積が格段に良好に、かつ正確に調量され、これによって調量過程および充填がより正確に終了される。これは殊に、調量されるべき体積が非常に僅かである場合に特に当てはまる。

評価電子回路８０は流速を、前置増幅器７０によって出力された信号の周波数から計算する。本発明の流量センサでも使用可能である慣用の周波数測定方法は、例えばゲートタイム測定およびパルス幅測定方法である。

本発明の、達成可能な高い分解能のもとでは、流量センサの前置増幅器は非常に良好に評価可能な比較的高い周波数を供給する。これは殊に、周波数の評価がゲートタイム方法で行われる場合に有利である。ゲートタイムが短く、流量が低い場合であっても、流れは複数の小数点以降の箇所で測定される。さらなる利点は、短い測定周期時間である。これは高い分解能によってはじめて可能になる。これによって、いわゆる測定値のリフレッシュが比較的短い時間間隔で行われる。

周波数がパルス幅測定方法で測定される場合、流れは、多くの個々のパルスから形成される。これによって、測定値は複数のパルスを介して積分される。従って流れの変動はフィルタリングされて処理され、計算された測定値はもはや変動に影響されない。

本発明の高い分解能では、流れの変化は、周波数が高いことによって、非常に迅速かつ正確に求められる。従って評価部は、流れの目下の状態の非常に多くの情報を得る。この結果、測定は、従来の機器で可能であったよりも格段にダイナミックに行われる。これは変動および流れの変化が小さく、低い流速を有する領域における測定の場合に特に効果を発揮する。

デジタル調整部も、出力される高い周波数によって、格段に良好かつ確実に作動する。なぜなら、評価電子回路８０は既に流速の小さい変化を迅速に識別することができ、これによって妨害は遅延なく、消滅するように制御される。

図５は、デジタル流量値がアナログ測定値へ変化する時に本発明がどのように使用されるのかを示している。右へ向かって時間（ｔ）が示され、上へ向かってミリメートルでの体積ないしミリアンペアでの流れが示されている。図自体においては、大きいステップＳ_ｇは、デジタル値の変化によって、パルスが少ない場合に生じる分解能を示している。２つの斜めに延在している線のうちの下方の１つの線Ｇ_ｇはこの場合には、このような粗い分解能の場合の中間値を示している。

小さいステップＳ_ｈは、高い分解能がどのように効果を発揮するのかを示している。１つのステップはここで２つの場合において、１つの測定値変化である。より上方の斜めの線Ｇ_ｈを伴う、分解能が高い場合に平均値は、分解能が粗い場合の平均値とは異なる。従って実際には、分解能が粗い場合の正しくない値は、分解能が高い場合に修正される。

すなわち、アナログ測定値が、より大きいビット数を有するＤ／Ａ変換器によって、非常に多数の小さい個々のステップに分解されるという大きい利点が生じる。高い分解能によって、アナログ測定値はここで格段に細かく、正確に、かつ僅かな段階変化でアナログに再現される。さらに、アナログの出力は非常にダイナミックでもある。なぜなら、個々のステップの間の間隔は非常に僅かであり、従ってアナログ測定値は、生じている測定値変化を迅速かつダイナミックに追従することができるからである。

この非常にリアルな測定値は、流速変化が変動しているまたは変化している場合にさらに明確に際だつ。これは図６に示されている。

すなわち、流速がＦ／Ｕ変換器によってアナログ測定値に変化する場合、このアナログ値は、解像度が高い場合には、より低い周波数領域に下降してさえも、より小さいリップルＲ_ｈによって非常に動的に出力される。従って流れの変化は、非常に迅速に検出され、ダイナミックな経過を迅速なＹｔ記録機器で記録し、登録することができる。アナログの調整部は、より正確かつ詳細に作動する。なぜなら、調整部は流れの変化（周波数変化）に非常に迅速に応答することができるからである。これによって、ノイズの修正時に大きなオーバーシュートはもはや生じない。なぜなら、調整部はすでに早期に目標値からの偏差に応答しているからである。

高い周波数によって、有利にはローパスであるＦ／Ｕ変換器により小さくかつ迅速なフィルタが設けられる。従って遅延は信号変化時に最小化され、測定値変化は非常に僅かな時間遅延のみを伴って行われる。高いデジタル入力周波数によって、フィルタ段はデジタル信号をここでは従来技術のようにもはや強力に平滑化しない。なぜなら信号は短い時間間隔で到来するからである。すなわち、アナログ測定値はここで本発明ではまだ小さいリップルＲ_ｈしか有していない。これは図６に非常に明確に示されている。図３内の大きなリップルＲ_ｇを有する粗い分解能の曲線Ｋ_ｇは、測定中に生じた変動をほぼ正しく識別しない。小さいリップルＲ_ｈを有する高い分解能は明確に、曲線Ｋ_ｈで見てわかるように、図内に見えるべき隆起部を識別する。

図７には、本発明の流量センサの別の使用例が示されている。右側へ、弁のピストン変位量（Kolbenweg）Ｋが示されており、上方へ（正または負）流量が示されている。左側には第１の流れ方向が示され、これは正の体積流Ｑｒで識別される。右側には第２の、反対の流れ方向が示され、これは負の体積流Ｑ−で識別される。従来のように媒体の体積が弁で測定される場合、これまでのように次のような問題がしばしば生じる。すなわち、従来の流量センサによっては媒体の非常に小さい体積流が零通過Ｎにおいてもはや正確に測定されないという問題が生じる。この原因は、それによって低い体積流が零通過において測定される粗い段階変化にある。これによって、零通過時のプランジャー位置の表示も不正確になってしまう。

しかし本発明の流量センサでは、流れの格段に高い、例えば１６倍の分解が可能である。

図８には、これに属する測定設定が、２つの異なる方向制御弁の例で示されている。上方の図では、これは４／３方向制御弁のことである。これは変位検出部９０と流量センサ１０を有する。下方の図では、変位検出部９０と流量センサ１０を有する４／２方向制御弁のことである。制御プランジャーの経路は変位検出部９０によって測定される。また同時に、それぞれに属する体積流は流量センサ１０によって測定される。２つの測定値は相互に対峙して、図７に示され、そこでの流れを形成する。図７で拡大して示された零通過の図において次のことが容易に識別される。すなわち、本発明による格段に高い流量分解能が反転終端において、制御ピストンのピストン変位量に関する格段に正確な表示、ひいては弁の制御エッジの影響に関する格段に正確な表示を零通過時に可能にすることが容易に識別される。

実際上の理由から、図８に示されているような構成の構築時には次のことに留意されるべきである。すなわち、流量センサをできるだけ弁の近くに取り付けることに留意されるべきである。より長い接続線路は結果として体積流の測定時に遅延作用を有してしまう。さらに、弁と流量センサの間の接続線路に、堅い管接続部を設け、チューブを設けないことが推奨される。これによって流量センサは体積流を遅延することなく測定することができ、測定結果を変位測定と同時に形成することができる。

概略的に示された評価部を有する本発明の流量センサの概略的斜視図 物理量「体積」の分解を説明する概略図 物理量「流速」の分解をより詳細に説明する概略図 実施例での種々の測定され、評価された曲線を示す概略図 種々の分解能での、アナログ測定値の特性に対する概略図 流速が変化した場合の測定値の特性に関する概略図 方向制御弁での零通過の測定の概略図 方向制御弁での測定設定の２つの概略図

符号の説明

１０ 流量センサ、 ３０ 第１の測定ツール、殊に第１の歯車、 ３１ 第１の測定ツール３０の軸、 ３２ 第１の測定ツール３０の歯、 ４０ 第２の測定ツール、殊に第２の歯車、 ４１ 第２の測定ツール４０の軸、 ４２ 第２の測定ツール４０の歯、 ５１ 第１のセンサ、 ５２ 第２のセンサ、 ７０ 前置増幅器、 ７１ 第１の出力信号、 ７２ 第２の出力信号、 ７３ 第３の出力信号、 ８０ 評価ユニット、 ９０ 変位検出部、 Ｇ_ｇ 粗い分解能を伴う線、 Ｇ_ｈ 高い分解能を伴う線、 Ｋ 粗い分解能を伴う曲線、 Ｋ_ｈ 高い分解能を伴う曲線、 Ｒ_ｇ 大きい分解能を伴うリップル、 Ｒ_ｈ 高い分解能を伴うリップル、 Ｓ_ｇ 大きい分解能を伴うステップ、 Ｓ_ｈ 高い分解能を伴うステップ

Claims (8)

1. 流量センサであって、
   測定チャンバを有しており、当該測定チャンバ内には媒体が流入し、再び流出し、当該媒体の体積および／または流速が測定されるべきであり、
   前記測定チャンバ内に配置された、自由に回転可能に支承された測定ツール（３０、４０）を有しており、
   少なくも１つのセンサ（５１）を有しており、当該センサは磁界および／または磁界の変化を測定し、
   回路装置（７０）を有しており、当該回路装置には前記１つまたは複数のセンサ（５１、５２）の出力信号が供給され、
   前記１つまたは複数のセンサ（５１、５２）は出力信号を出力し、前記回路装置（７０）に供給し、当該出力信号は周期的に、前記測定ツールのうちの１つの測定ツール（４０）の個々の歯（４２）および属する歯の隙間の各通過時に最小値と最大値の間で変動し、前記歯（４２）の位置に依存して、前記１つまたは複数のセンサ（５１、５２）に相対して再現可能な中間値をとり、
   前記回路装置（７０）は、前記１つまたは複数のセンサ（５０、５１）の出力信号から固有の出力信号（７１、７２、７３）を形成するように構成されており、当該出力信号は前記中間値を計数可能な値に置き換え、当該値は２つの歯（４２）の間に送出された体積の部分体積をあらわす、
   ことを特徴とする流量センサ。
2. 前記回路装置（７０）は前置増幅器である、請求項１記載の流量センサ。
3. 少なくとも２つのセンサ（５１、５２）が使用されており、
   当該センサは同じ測定ツール（４０）の周囲で、有利には相対的に、歯のピッチの４分の１だけまたは歯のピッチの倍数と歯のピッチの４分の１だけオフセットされている、請求項１または２記載の流量センサ。
4. 前記２つのセンサ（５１、５２）は、歯（４２）に相対して同じ位置の場合には同じ出力信号を送出し、
   電気的にみて相互に９０°だけオフセットされているので、シフトされた信号を出力する、請求項３記載の流量センサ。
5. 前記センサ（５１、５２）の出力信号は、前記歯（３２、４２）の動きに依存した正弦波振動である、請求項１から４までのいずれか１項記載の流量センサ。
6. 前記回路装置（７０）は３つの出力信号（７１、７２、７３）を出力し、
   当該３つの出力信号のうちの２つの出力信号（７１、７２）は相互にそれぞれ半パルス幅分だけオフセットされており、第３の出力信号（７３）は、歯（４２）が１つの完全な歯のピッチ分だけ前記センサ（５１、５２）に相対してさらに動かされたときにそれぞれ１つのパルスを形成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の流量センサ。
7. 前記センサ（５１、５２）の少なくとも１つは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を使用している、請求項１から６までのいずれか１項記載の流量センサ。
8. 流量センサによって媒体の体積および／または流速を測定する方法であって、
   当該流量センサは測定チャンバを有しており、当該測定チャンバ内には、自由に回転可能に支承された測定ツールと、磁界および／または磁界の変化を測定する少なくとも１つのセンサが配置されている形式のものにおいて、
   前記１つまたは複数のセンサ（５１、５２）は出力信号を出力し、回路装置（７０）に供給し、当該出力信号は周期的に、前記測定ツールのうちの１つの測定ツール（４０）の個々の歯（４２）および属する歯の隙間の各通過時に最小値と最大値の間で変動し、前記歯（４２）の位置に依存して、前記１つまたは複数のセンサ（５１、５２）に相対して再現可能な中間値をとり、
   前記回路装置（７０）は、前記１つまたは複数のセンサ（５０、５１）の出力信号から固有の出力信号（７１、７２、７３）を形成するように構成されており、当該出力信号は、前記中間値を計数可能な値に置き換える、
   ことを特徴とする、流量センサによって媒体の体積および／または流速を測定する方法。

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