WO2017144155A1 - Durchflussmessvorrichtung - Google Patents

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Publication number
WO2017144155A1
WO2017144155A1 PCT/EP2017/000151 EP2017000151W WO2017144155A1 WO 2017144155 A1 WO2017144155 A1 WO 2017144155A1 EP 2017000151 W EP2017000151 W EP 2017000151W WO 2017144155 A1 WO2017144155 A1 WO 2017144155A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
axis
screw spindle
rotation
measuring device
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/000151
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Bönninghoff
Björn Schönfeldt
Original Assignee
Kracht Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kracht Gmbh filed Critical Kracht Gmbh
Publication of WO2017144155A1 publication Critical patent/WO2017144155A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/10—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with axial admission
    • G01F1/11—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects using rotating vanes with axial admission with mechanical coupling to the indicating device

Definitions

  • the invention relates to a flow measuring device for volume measurement of a flowing fluid, in particular of highly viscous or pasty fluids whose housing has a flow-through in the axial direction bare measuring chamber, and in the two intermeshing rotatably mounted by a fluid drivable
  • Screw spindle are arranged, the screw spindle axis is oriented parallel to the axial direction of the measuring chamber, wherein on the housing at least one rotation sensor device for measuring a rotation angle change of
  • Screw spindle axis is arranged with at least one
  • Screw spindle axis is connected.
  • Flow rate sensors of the type mentioned is common that a fluid flowing through the measuring chamber at least one screw in
  • Screw spindle axis corresponds to a clearly assignable
  • Fiuidvolumen This is summed up as a flow rate or displayed as a flow rate over time or determined from other derived variables. When determining very small flow rates, it is necessary a
  • CONFIRMATION COPY Determination of the angle change is particularly important in applications in which very small flows must be measured with frequently highly viscous media reliably and reproducibly.
  • the dosage of constituents for polyurethanes (polyol, isocyanate) or silicones may be mentioned here.
  • polyurethanes polyol, isocyanate
  • silicones may be mentioned here.
  • the patent document EP 0 741 279 A1 discloses a flow measuring device which has two intermeshing toothed wheels and at least one sensor device, wherein the sensor device outputs signal pulses as a function of the detected tooth rotation.
  • a non-contact sensor of the sensor device according to the invention is arranged so that it generates a signal pulse upon detection of a passing tooth, which is evaluated by a signal processing electronics.
  • the meshing gears are axially parallel gears, which are rotated by an oriented perpendicular to the axial direction of flow.
  • a flow rate sensor with such a gear arrangement is typically referred to as a gear flow meter.
  • Counter wheel is displaced from the tooth gap.
  • this measuring device does not meet the required measured value resolution.
  • the measured value resolution of a flow measuring device is in the
  • Flow measurement typically expressed by two measures.
  • the first measure is the number of pulses generated per liter of fluid volume [lmp./l] and the second measure is the so-called pulse volume generated by the
  • Fluid volume per pulse generated [cm 3 / lmp.] Is given.
  • Volumetric measurement of flowing media is known, which is characterized in that the housing of a flow-through in the axial direction measuring chamber perpendicular to the axial direction longitudinal bores, in which on the measuring chamber side end side of the longitudinal bores at least one sensor is arranged.
  • Measuring chamber is arranged at least one rotatably mounted by a fluid drivable screw spindle whose axis parallel to the axial direction of the
  • Measuring chamber is oriented. Upon rotation of the screw, the teeth of the screw past the sensor, so that it generates a pulse. The passage of a tooth of the screw spindle thus generates a pulse which is used for measuring the rotation angle change, wherein per pulse a pulse volume, which is defined by the geometry of the teeth of the spindle wheel, flows through the measuring chamber of the flow measuring device.
  • a pulse volume which is defined by the geometry of the teeth of the spindle wheel, flows through the measuring chamber of the flow measuring device.
  • two sensors in the axial direction of the measuring chamber are spaced from each other in this invention, wherein the distance between the axes of the corresponding longitudinal bores deviates from a whole multiple of the pitch of the adjoining screw spindles, so that the two sensors generate mutually staggered pulse trains, to determine the
  • Patent document EP 2 309 233 A2 discloses another embodiment of a flow measuring device whose housing has a measuring chamber through which flows in the axial direction, in which at least one screw spindle is arranged, whose axis is oriented parallel to the axial direction of the measuring chamber and on which a rotary element, respectively encoder gear, is arranged.
  • the rotation angle change of the screw is determined in this approach by the fact that opposite the encoder gear at least two magneto-electrical sensors are arranged as Drehmesstreler and on the side facing away from the encoder gear side of the rotary sensor, a magnet is positioned.
  • the passing teeth of the encoder wheel disturb or change the magnetic field generated by the magnet, wherein the change of the magnetic field is detected by the magneto-electric sensors.
  • the sensors generate two phase-shifted electrical signals that are converted into digital pulses. From the phase shift of the signals, the direction of rotation can be determined.
  • the flow rate is given by the number of pulses, wherein a pulse is assigned a defined pulse volume.
  • the pulse volume is determined in this approach, the number of teeth of the arranged on the screw shaft axis encoder gear, since the Vorbestich a tooth generates a pulse. Due to this, in this approach, the measurement resolution is limited by the fact that only a limited number of teeth on the circumference of the encoder wheel can be arranged.
  • the measured value resolution is also limited by the fact that the
  • Sensors are encapsulated pressure-tight, so that is typically between the encoder gear and a sensor material and a certain distance is to be observed, which limits the resolution of the sensors. Furthermore, the disk of the encoder gear is perpendicular to the flow direction of the
  • phase-shifted sinusoidal signals are generated, which are then interpolated and digitized.
  • further pulses are generated between two teeth passing past, and in this way a measuring volume is subdivided into further partial measuring volumes, thus reducing the pulse volume.
  • Rotation speed of the gear varies. For example, varies
  • Volume displacement or volumetric flow pulsation when subdivided into increments of equal size, causes the partial measurement volumes to have different volumes, so that measurement inaccuracies can occur, in particular when metering very small volumes.
  • Object of the present invention is to provide a flow measuring device available, which at a reduced flow resistance a
  • pulsation-free volume displacement and a high measured value resolution has a continuous signal formation, is easy to implement, is safe and reliable to use at high pressures and low maintenance requires a long service life.
  • Rotationssensorvorraum has a sensor axis which is opposite to the
  • Screw spindle axis is arranged angled and at least one
  • Connecting element is rotatably connected to the screw spindle axis of the screw.
  • Rotation sensor device is offset with respect to the screw axis and thus the axial flow path through the measuring chamber is free.
  • the advantage of an angled arrangement of the sensor axis is thus that the flow resistance of the flow measuring device is reduced.
  • the sensor axis of the rotation sensor device is rotatably connected to the screw spindle axis, ensures that the rotation of the screw directly into a rotation of the sensor axis of
  • Rotation sensor device is transmitted.
  • Screw spindle axis and sensor axis to the resolution of the
  • Rotation sensor device is dependent.
  • this approach offers the possibility to directly measure the rotational angle change of the screw spindle axis without being dependent on a passing of the teeth under a sensor, in particular a magneto-electrical sensor.
  • Measuring chamber has two intermeshing screw spindles whose
  • Screw spindle axes are aligned parallel to each other, wherein at least one screw axis via a connecting element with the
  • Rotation sensor device is connected.
  • the two screw spindles in engagement are in particular enclosed by a housing, so that there is no direct connection between a fluid inlet of the measuring chamber and a fluid outlet of the measuring chamber.
  • Screw axes aligned parallel in the axial direction of the measuring chamber causes the screw spindles are rotated by a fluid flowing through the measuring chamber in the axial direction, in rotation.
  • interlocking screw spindles are completed partial volumes formed, which are continuously filled with the fluid and emptied.
  • Flow rate per angle change is constant in screw spindle flowmeters, so the flow rate does not vary or pulsate at a constant rotational speed of the screw axis.
  • the continuous filling and emptying of the partial volumes has the advantage that a pressure or volume flow pulsation when flowing through the measuring chamber is prevented.
  • Interlocking screw spindles also have the advantage that the flow resistance in the flow through the measuring chamber is reduced by the parallel arrangement of the screw spindles to the flow direction.
  • a particularly preferred embodiment of the invention provides that the sensor axis of the rotation sensor device is arranged perpendicular to the screw spindle axis of a screw spindle.
  • Pipes for the supply and discharge of the fluid are attachable. In addition, remains due to the vertical arrangement of the sensor axis to the screw axis of the
  • Measuring chamber at the end faces of the bevel gears a free space through which the fluid flows when flowing through the measuring chamber.
  • This embodiment of the invention has the advantage that the bevel gears realize a direct transfer of the rotational movement of the screw spindle axis on the sensor axis, so that the resolution of the rotational movement is dependent on the choice of the rotation sensor device and can be measured directly in this way. Furthermore, the use of at least two intermeshing bevel gears has the advantage that the fluid to the End faces of the bevel gears can flow past and thus the
  • first bevel gear which is connected to the screw spindle axis, more teeth than the second bevel gear, which is connected to the sensor axis.
  • a different translation of the bevel gears for that rotation of the screw shaft axis is not transmitted unchanged to a rotation of the sensor axis.
  • the first bevel gear has more teeth than the second bevel gear, it is achieved, for example, that one revolution of the
  • Screw spindle axis is converted into a multiple revolution of the sensor axis.
  • a different translation of the bevel gears of the connecting element can be used to a typical number of revolutions of the
  • the invention enables a simple mechanical improvement of the first bevel gear having more teeth than the second bevel gear
  • a further embodiment of the invention provides that the connecting element is a flexible shaft or a propeller shaft.
  • the use of a flexible shaft or a propeller shaft causes a rotation of the screw shaft axis is transmitted directly in a rotation of the sensor axis. That's it
  • the senor axis is mounted in a pressure-tight rotary feedthrough.
  • Rotary feedthrough allows the fluid not unintentionally out of the measuring chamber can escape.
  • a pressure-tight rotary feedthrough for the sensor axis enables a separation between the rotation sensor device and the measuring chamber. This advantageously leads to the fact that when selecting the
  • Rotation sensor device no restriction must be considered in terms of resistance to the environmental conditions within the measuring chamber.
  • the sensor axis has two coaxial axes, of which the first sensor axis is separated from the second sensor axis by a partition wall, wherein the rotation between the first sensor axis and the second sensor axis by means of a
  • the magnetic coupling is transmitted without contact.
  • the magnetic coupling is formed in particular in that a measuring chamber-side magnet is arranged on the sensor-side end side of the first sensor axis and a
  • a partition in combination with a magnetic coupling results in a separation of the volume of the measuring chamber from the rotation sensor device.
  • the partition allows, even at very high pressure within the measuring chamber, a fluid-tight separation of the measuring chamber of the
  • Rotation sensor unit Despite the separating wall, the use of a magnetic coupling between the separate coaxial sensor axes ensures a direct transmission of the rotation of the first sensor axis to the second sensor axis, so that the actual rotation of the screw spindle axis is determined by the rotation sensor unit by measurement.
  • the arrangement of a partition in combination with a magnetic coupling has the advantage that the volume of the measuring chamber can be acted upon by a very high pressure, without the fluid can escape in the direction of the rotation sensor device.
  • a pressure tightness at particularly high pressures is particularly important for highly viscous or pasty fluids of importance, since they are subjected to pressures up to 1000 bar to pass through the measuring chamber of the
  • the partition also offers an advantage, especially when physically or chemically reactive fluids through the Flow meter be transported because the rotation sensor device does not come into contact with these materials.
  • a further embodiment of the invention provides that the partition wall consists of a non-magnetic material and has a thickness which provides a pressure-tight closure of the measuring chamber at a high pressure, typically up to 1000 bar.
  • the use of a nonmagnetic material further enables effective magnetic coupling between the first and second sensor axes.
  • At least the measuring chamber-side magnet has an opening axially in the middle, which receives a bearing element, which is in contact with the dividing wall.
  • a bearing element which is in contact with the partition wall, offers the possibility of axially supporting the first sensor axis in relation to the partition wall.
  • Screw spindle is rotationally transferred to the second sensor axis.
  • the bearing element is a ball or a part with a curved surface.
  • Screw spindle axis guaranteed on the sensor axis.
  • Flow measuring device is reduced and a distortion of the angular measurement of the screw is avoided.
  • a particularly precise embodiment of the invention is characterized in that the rotation sensor device has an incremental encoder, which according to a magnetic, inductive, capacitive or preferably optical
  • an incremental encoder allows a direct measurement of the rotation angle of the sensor axis with a continuous signal formation and thus the direct measurement of the screw spindle axis.
  • an incremental encoder can be used in this embodiment of the invention, any commercial incremental encoder, the resolution of the incremental encoder is to choose depending on the application.
  • a high-resolution determination of the rotational angle position and the rotational angle change of the screw spindle axis can be carried out.
  • the resolution is typically much higher than one
  • the signal is usually generated by scanning a toothing made of ferromagnetic material by means of a magnetic field sensor.
  • a suitable choice of the rotation sensor device, or the incremental encoder a higher
  • the incremental encoder is based on an optical scanning.
  • an optical incremental encoder enables a very accurate measurement of the rotational angle position and / or rotational angle change of a screw spindle and thus of the fluid volume which contains a measuring chamber happens.
  • a precise determination of the flow rate is particularly necessary in application that require a precise and reproducible dosing of fluids.
  • the housing 1 of the flow measuring device has a measuring chamber 2, which is traversed in the axial direction by a fluid F, wherein within the
  • Measuring chamber 2 two screw spindles 3 are arranged, whose
  • Screw axes 4 are oriented parallel to the axial direction of the measuring chamber 2.
  • the measuring chamber 2 can be flowed through in the axial direction in two directions by a fluid F, the flowing fluid F causing the screw spindles 3 to rotate. In Fig. 1, only one flow direction is shown.
  • the volume of the flowing fluid F flowing through the measuring chamber 2 is determined by measuring a rotation angle change of the screw shaft axis 4 by means of a rotation sensor device 5.
  • the rotation sensor device 5 in this case has a sensor axis 6, which is arranged angled relative to the screw spindle axis 4 and is rotatably connected via at least one connecting element 7 with the screw spindle axis 4 of a screw spindle 3. In this way, a rotation of the screw spindle axis 4 directly on the
  • the measuring chamber 2 has two intermeshing screw spindles 3 arranged parallel to one another, wherein at least one
  • Rotation sensor device 5 is rotationally connected. In the illustrated
  • Embodiment variant of the invention is the sensor axis 6 of
  • Rotation sensor device 5 is arranged perpendicular to the screw spindle axis 4.
  • the vertical orientation of the sensor axis 6 allows an arrangement of the rotation sensor device 5 on the radial outer wall of the housing 1, so that a supply of the fluid F on the axial side walls of the measuring chamber 2 is not hindered.
  • the arrangement of the Rotation sensor device 5 on the radially outer wall of the housing 1 enough space to arrange different types of rotation sensor devices 5 on the housing 1 of the flow measuring device.
  • the connecting element 7 is formed in the illustrated embodiment at least two intermeshing gears 7a and 7b, wherein a first bevel gear 7a on the screw shaft axis 4 and a second bevel gear 7b on the sensor axis 6 is arranged.
  • the bevel gears 7a and 7b offer the possibility to transmit a rotation of the screw spindle axis 4 directly to the sensor axis 6.
  • a volume is released, which can be flowed through by the fluid F.
  • the flow resistance of the flow measuring device is significantly reduced by this embodiment variant.
  • a small flow resistance is advantageous, in particular in the case of highly viscous or pasty fluids, since, when the flow resistance is increased, they would have to be subjected to a significantly higher pressure in order to be conveyed through the measuring chamber 2.
  • the illustrated embodiment shows a sensor axis 6, which is divided into two separate coaxial sensor axes 6a and 6b, of which the first sensor axis 6a is separated from the second sensor axis 6b by a partition wall 8 pressure-tight.
  • a sensor axis 6 which is divided into two separate coaxial sensor axes 6a and 6b, of which the first sensor axis 6a is separated from the second sensor axis 6b by a partition wall 8 pressure-tight.
  • the rotation between the first sensor axis 6a and the second sensor axis 6b is performed without contact by means of a magnetic coupling.
  • Magnetic coupling is in particular a measuring chamber side magnet 9a arranged on the sensor side end side of the first sensor axis 6a and a
  • Sensor axis 6b arranged.
  • the magnetic coupling between the first sensor axis 6a and the second sensor axis 6b enables a transmission of the rotation of the screw spindle axis 4 to the second sensor axis 6b, so that the resolution of the Flow meter is substantially dependent on the rotation sensor device 5.
  • the partition wall 8 is made of an amagnetic material and in particular has a thickness at which it is ensured that the measuring chamber 2 is pressure-tight, even at high pressure, which may be in the range of 1000 bar with highly viscous fluids.
  • the measuring chamber-side magnet 9a has axially in the center an opening which receives a bearing element 10, which is in contact with the partition 8.
  • a bearing element 10 is preferably designed as a ball, which forms a minimal contact surface with the partition wall 8, so that the frictional resistance of the axial bearing is minimal.
  • the radial bearing of the first sensor axis 6a is realized in the illustrated embodiment by means of a sliding ring 1, which is arranged on a bearing holder 12.
  • the connecting element 7 is a flexible shaft or a propeller shaft which rotatably connects the sensor axis 6 with the screw spindle axis 4.
  • Another embodiment, not shown, of the invention provides a sensor axis 6, which is mounted in a pressure-tight rotary feedthrough and with the
  • Screw spindle axis 4 is rotatably connected via a connecting element 7.
  • the pressure-tight rotary feedthrough of the sensor axis 6 allows a
  • An incremental encoder which is based on a magnetic, inductive, capacitive or preferably optical scanning principle is preferably used as the rotation sensor device.
  • the use of an incremental encoder allows the direct reading of the angle of rotation and / or the rotation angle change and thus the direct determination of the flow rate, wherein a signal interpolation, as is typically carried out in gear encoders with magnetic sensors, is not necessary. This allows the accuracy of the
  • optical incremental encoders have a suitable resolution to determine the smallest flow rates and thus to ensure a high reproducibility in the metering of smallest volumes.
  • the underlying invention enables the construction of a
  • Flow measuring device which is operable at high pressure, has a low flow resistance and a very high resolution measurement of

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Abstract

Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluides, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden (F), deren Gehäuse (1) eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer (2) aufweist, und in der zwei ineinandergreifende drehbargelagerte durch ein Fluid (F) antreibbare Schraubenspindel (3) angeordnet ist, deren Schraubenspindelachse (4) parallel zur axialen Richtung der Messkammer (2) orientiert ist, wobei an dem Gehäuse (1) zumindest eine Rotationssensorvorrichtung (5) zur Messung einer Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse (4) angeordnet ist, die mit zumindest einer Schraubenspindel (3) verbunden ist, wobei die Rotationssensorvorrichtung (5) eine Sensorachse (6) aufweist, die gegenüber der Schraubenspindelachse (4) abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement (7) mit der Schraubenspindelachse (4) der Schraubenspindel (3) rotatorisch verbunden ist.

Description

Durchflussmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluids, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden, deren Gehäuse eine in axialer Richtung durchström bare Messkammer aufweist, und in der zwei ineinandergreifende drehbargelagerte durch ein Fluid antreibbare
Schraubenspindel angeordnet sind, dessen Schraubenspindelachse parallel zur axialen Richtung der Messkammer orientiert ist, wobei an dem Gehäuse zumindest eine Rotationssensorvorrichtung zur Messung einer Drehwinkeländerung der
Schraubenspindelachse angeordnet ist, die mit zumindest einer
Schraubenspindelachse verbunden ist.
Durchflussmengenfühlern der eingangs genannten Gattung ist gemein, dass ein durch die Messkammer strömendes Fluid zumindest eine Schraubenspindel in
Rotation versetzt. Eine Winkeländerung bei einer Rotation der
Schraubenspindelachse entspricht dabei einem eindeutig zuordenbaren
Fiuidvolumen. Dieses wird als Durchflussmenge aufsummiert oder als Durchflussrate über die Zeit dargestellt oder daraus weitere abgeleitete Größen bestimmt. Bei der Bestimmung von sehr kleinen Durchflussmengen ist es notwendig eine
Winkeländerung der Schraubenspindel möglichst präzise zu messen, um auf dieser Grundlage eine reproduzierbare Dosierung von Fluiden zu erzielen. Eine exakte
- 1 -
BESTÄTIGUNGSKOPIE Bestimmung der Winkeländerung ist insbesondere bei Anwendungen von Bedeutung, bei denen sehr kleine Durchflüsse mit häufig hochviskosen Medien zuverlässig und reproduzierbar gemessen werden müssen. Beispielsweise seien hier die Dosierung von Bestandteilen für Polyurethane (Polyol, Isocyanat) oder Silikone genannt. Hier ist nicht nur aufgrund technischer Anforderungen, sondern auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit eine hochgenaue, hochauflösende und
reproduzierbare Messung kleiner Dosiervolumen oder Durchflussmengen
erforderlich. Bei hochviskosen Fluiden ist vor allem auch der Druckverlust durch die Durchflussmessvorrichtung, bzw. der Durchflusswiderstand, zu berücksichtigen, welcher aus Gründen der Energieeffizienz möglichst gering ausfallen sollte.
Vorteilhafterweise verringert sich bei einem geringeren Druckverlust zudem die Belastung der Lagerelemente, so dass die Wartungsintervalle und die Lebensdauer der Geräte verlängert werden.
Das Patentdokument EP 0 741 279 A1 offenbart eine Durchflussmessvorrichtung die zwei miteinander kämmende Zahnräder und zumindest eine Sensoreinrichtung aufweist, wobei die Sensoreinrichtung abhängig von der detektierten Zahndrehung Signalimpulse ausgibt. Ein berührungslos arbeitender Sensor der Sensoreinrichtung ist erfindungsgemäß so eingerichtet, dass er bei Detektion eines vorbeilaufenden Zahnes einen Signalimpuls erzeugt, der durch eine Signalverarbeitungselektronik ausgewertet wird. Bei den kämmenden Zahnrädern handelt es sich um achsparallele Zahnräder, die durch eine senkrecht zur Achsrichtung orientierte Anströmung in Rotation versetzt werden. Man bezeichnet einen Durchflussmengenfühler mit einen derartige Zahnradanordnung typischerweise als Zahnrad-Durchflussmengenzähler. Die geometrischen Gegebenheiten kämmender achsparalleler Zahnräder führen in der Regel dazu, dass die Durchflussmenge pro Winkeländerung des Zahnrades nicht konstant ist und die Durchflussrate trotz konstanter Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrades variiert. Dieser Effekt wird typischerweise als Volumenstrompulsation bezeichnet. Dadurch, dass das Vorbeilaufen eines Zahnes bei dieser Erfindung ein Signal erzeugt, entspricht ein Signal dem Fluidvolumen, das vom Zahn des
Gegenrades aus der Zahnlücke verdrängt wird. Für die Dosierung von Volumina, die kleiner sind als das verdrängte Fluidvolumen erfüllt diese Messvorrichtung nicht die erforderlich Messwertauflösung. Die Messwertauflösung einer Durchflussmessvorrichtung wird in der
Durchflussmesstechnik typischerweise durch zwei Kennzahlen ausgedrückt. Die erste Kennzahl ist die Anzahl der erzeugten Impulse pro Liter Fluidvolumen [lmp./l] und die zweite Kennzahl ist das so genannte Impulsvolumen, das durch das
Fluidvolumen pro erzeugtem Impuls [cm3/lmp.] gegeben ist.
Aus dem Patentdokument DE 195 13 781 A1 ist eine Vorrichtung zur
Volumenmessung strömender Medien bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse einer in axialer Richtung durchströmbaren Messkammer senkrecht zur axialen Richtung Längsbohrungen aufweist, in denen auf der messkammerseitigen Stirnseite der Längsbohrungen zumindest ein Sensor angeordnet ist. In der
Messkammer ist zumindest eine drehbar gelagerte durch eine Fluid antreibbare Schraubenspindel angeordnet, deren Achse parallel zur axialen Richtung der
Messkammer orientiert ist. Bei Drehung der Schraubenspindel streichen die Zähne der Schraubenspindel an dem Sensor vorbei, so dass dieser einen Impuls erzeugt. Das Vorbeistreichen eines Zahns der Schraubenspindel erzeugt somit einen Impuls, der zur Messung der Drehwinkeländerung herangezogen wird, wobei pro Impuls ein Impulsvolumen, das durch die Geometrie der Zähne des Spindelrades definiert ist, durch die Messkammer der Durchflussmessvorrichtung strömt. Zur Messung der Durchflussrichtung sind bei dieser Erfindung zwei Sensoren in axialer Richtung der Messkammer voneinander distanziert angeordnet, wobei der Abstand der Achsen der entsprechenden Längsbohrungen von einem ganzen Vielfachen der Steigung der benachbart liegenden Schraubenspindeln abweicht, so dass die beiden Sensoren zueinander zeitlich versetzte Impulsfolgen erzeugen, die zur Bestimmung der
Drehrichtung der Schraubenspindel herangezogen werden. Die Messwertauflösung ist bei diesem Verfahren jedoch dadurch begrenzt, dass Spindelzahnräder
üblicherweise nur eine geringe Anzahl an Zähnen aufweisen. Dies gilt insbesondere für Durchflussmessvorrichtungen, die für hochviskose Fluide vorgesehen sind, da bei hochviskosen Fluiden vergleichsweise große Querschnitte bevorzugt sind, um für die Durchströmung der Durchflussmessvorrichtungen einen möglichst kleinen
Durchflusswiderstand zu erzielen.
Das Patentdokument EP 2 309 233 A2 offenbart eine andere Ausführung einer Durchflussmessvorrichtung, deren Gehäuse eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer aufweist, in der zumindest eine Schraubenspindel angeordnet ist, deren Achse parallel zur axialen Richtung der Messkammer orientiert ist und auf der ein Drehelement, respektive Geberzahnrad, angeordnet ist. Die Drehwinkeländerung der Schraubenspindel wird bei diesem Lösungsansatz dadurch bestimmt, dass gegenüber vom Geberzahnrad zumindest zwei magneto-elektrische Sensoren als Drehmessfühler angeordnet sind und auf der vom Geberzahnrad abgewandten Seite der Drehmessfühler ein Magnet positioniert ist. Die vorbeistreichenden Zähne des Geberrades stören bzw. verändern das vom Magnet erzeugte Magnetfeld, wobei die Änderung des Magnetfeldes durch die magneto-elektrischen Sensoren detektiert wird. Die Sensoren erzeugen zwei phasenverschobene elektrische Signale, die in digitale Impulse umgewandelt werden. Aus der Phasenverschiebung der Signale lässt sich die Drehrichtung bestimmen. Die Durchflussmenge ist durch die Anzahl der Impulse gegeben, wobei einem Impuls ein definiertes Impulsvolumen zugeordnet ist. Das Impulsvolumen bestimmt sich bei diesem Lösungsansatz aus der Anzahl der Zähne des an der Schraubenspindelachse angeordneten Geberzahnrades, da das Vorbestreichen eines Zahnes einen Impuls erzeugt. Aufgrund dessen ist bei diesem Lösungsansatz die Messwertauflösung dadurch eingeschränkt, dass nur eine begrenzte Anzahl an Zähnen am Umfang des Geberrades anordenbar ist.
Insbesondere wird die Messwertauflösung auch dadurch begrenzt, dass die
Sensoren druckdicht einzukapseln sind, so dass sich zwischen dem Geberzahnrad und einem Sensor typischerweise Material befindet und eine gewisser Abstand einzuhalten ist, der die Auflösung der Sensoren einschränkt. Des Weiteren ist die Scheibe des Geberzahnrades senkrecht zur Durchströmungsrichtung der
Messkammer angeordnet, so dass bei diesem Lösungsansatz das Fluid beim
Durchströmen der Messkammer am Geberzahnrad vorbei fließen muss und dabei einen Reibungswiderstand erfährt, der zum einem erhöhtem Durchflusswiderstand der gesamten Durchflussmessvorrichtung führt.
Aus dem Patentdokument WO 2012/065883 A2 ist ein Verfahren bekannt bei dem die Messwertauflösung dadurch vergrößert wird, dass mittels eines magnetoelektrischen Sensorelementes zunächst zwei zueinander um 90°
phasenverschobene sinusförmige Signale erzeugte werden, die anschließend interpoliert und digitalisiert werden. Es werden dabei zwischen zwei vorbeistreichend Zähnen weitere Impulse erzeugt und auf diese Weise ein Messvolumen in weitere Teilmessvolumina unterteilt und damit das Impulsvolumen verkleinert. Die
Unterteilung erfolgt in gleich große Inkremente. Der Nachteil der Vergrößerung der Messwertauflösung durch Interpolation liegt darin, dass die analogen Signale elektronisch in Impulse umgewandelt werden müssen, was zu einer zeitlichen
Verzögerung durch Signalverarbeitung führt. Zudem haben technisch mögliche sehr hohe Interpolationsfaktoren Grenzen in der Interpolationsgenauigkeit, die selbst bei sehr sauberen Signalen begrenzt ist. Die Unterteilung in gleich große Inkremente hat bei dem Interpolationsverfahren insbesondere dann einen Nachteil, wenn die
Durchflussmenge pro Winkeländerung des Zahnrades aufgrund der geometrischen Gegebenheiten nicht konstant ist und die Durchflussrate trotz konstanter
Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrades variiert. Beispielsweise variiert bei
Zahnrad-Durchflussmengenfühlern der oben genannten Art die Durchflussrate bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit periodisch. Eine pulsierende
Volumenverdrängung oder Vo!umenstrompulsation führt bei einer Unterteilung in gleich große Inkremente dazu, dass die Teilmessvolumina unterschiedliche Volumen aufweisen, so dass es insbesondere bei der Dosierung von sehr kleinen Volumen zu Messungenauigkeiten kommen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Durchflussmessvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei einem reduzierten Durchflusswiderstand eine
pulsationsfreie Volumenverdrängung und eine hohe Messwertauflösung aufweist, über eine kontinuierliche Signalbildung verfügt, einfach zu realisieren ist, bei hohen Drücken sicher und zuverlässig zu verwenden ist sowie bei einer hohen Lebensdauer einen geringen Wartungsaufwand erfordert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die
Rotationssensorvorrichtung eine Sensorachse aufweist, die gegenüber der
Schraubenspindelachse abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein
Verbindungselement mit der Schraubenspindelachse der Schraubenspindel rotatorisch verbunden ist.
Durch die abgewinkelte Anordnung der Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung gegenüber der Schraubenspindelachse wird erreicht, dass die
Rotationssensorvorrichtung bezüglich der Schraubenspindelachse versetz ist und damit der axialen Strömungsweg durch die Messkammer frei ist.
Der Vorteil einer abgewinkelten Anordnung der Sensorachse besteht somit darin, dass der der Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung reduziert ist. Zudem wird dadurch, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung rotatorisch mit der Schraubenspindelachse verbunden ist, gewährleistet, dass die Drehung der Schraubenspindel direkt in eine Drehung der Sensorachse der
Rotationssensorvorrichtung übertragen wird.
Vorteilhafterweise führt die direkte rotatorische Verbindung zwischen
Schraubenspindelachse und Sensorachse dazu, dass die Auflösung der
Drehwinkelmessung ausschließlich von dem Auflösungsvermögen der
Rotationssensorvorrichtung abhängig ist. Im Gegensatz zu dem zitierten Stand der Technik bietet dieser Lösungsansatz die Möglichkeit die Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse direkt zu messen ohne von einem Vorbeistreichen der Zähne unter einem Sensor, insbesondere einem magneto-elektrischen Sensor, abhängig zu sein.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die
Messkammer zwei ineinandergreifende Schraubenspindeln aufweist, deren
Schraubenspindelachsen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei zumindest eine Schraubenspindelachse über ein Verbindungselement mit der
Rotationssensorvorrichtung verbunden ist. Die beiden im Eingriff befindlichen Schraubenspindeln sind insbesondere von einem Gehäuse umschlossen, so dass keine direkte Verbindung zwischen einem Fluideinlass der Messkammer und einem Fluidauslass der Messkammer besteht.
Die Anordnung von zwei ineinandergreifenden Schraubenspindeln, deren
Schraubenspindelachsen parallel in axialer Richtung der Messkammer ausgerichtet sind, führt dazu, dass die Schraubenspindeln durch ein Fluid, das die Messkammer in axialer Richtung durchströmt, in Rotation versetzt werden. Durch die
ineinandergreifenden Schraubenspindeln werden abgeschlossene Teilvolumina gebildet, die kontinuierlich mit dem Fluid befüllt und entleert werden. Die
Durchflussmenge pro Winkeländerung ist bei Schraubenspindel-Durchflussmessern konstant, so dass die Durchflussrate bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit der Schraubenspindelachse nicht variiert bzw. pulsiert.
Die kontinuierliche Befüllung und Entleerung der Teilvolumina hat den Vorteil, dass eine Druck- bzw. Volumenstrompulsation beim Durchströmen der Messkammer verhindert wird. Ineinandergreifende Schraubenspindeln haben zudem den Vorteil, dass durch die parallele Anordnung der Schraubenspindeln zur Strömungsrichtung der Durchflusswiderstand bei der Durchströmung der Messkammer reduziert ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht es vor, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung senkrecht zur Schraubenspindelachse einer Schraubenspindel angeordnet ist.
Auf diese Weise ist eine Anordnung der Rotationssensorvorrichtung an der radialen Wand des Gehäuses der Messkammer realisierbar, so dass die axialen
Seitenflächen der Messkammer frei bleiben und an den axialen Seitenflächen
Rohre für die Zu- und Abführung des Fluids anbringbar sind. Zudem bleibt durch die senkrechte Anordnung der Sensorachse zur Schraubenspindelachse der
Strömungsweg neben der Sensorachse gegenüber der Spindel frei, so dass der Durchflusswiderstand bei der Durchströmung der Messkammer reduziert ist.
Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Verbindungselement zwischen Sensorachse und Schraubenspindelachse
mindestens zwei ineinandergreifende Kegelzahnräder aufweist, wobei ein erstes Kegelzahnrad an der Schraubenspindelachse und ein zweites Kegelzahnrad an der Sensorachse angeordnet ist.
Die Verwendung von ineinandergreifenden Kegelzahnrädern als
Verbindungselement zwischen Schraubenspindelachse und Sensorachse führt dazu, dass die Drehbewegung der Schraubenspindelachse direkt auf die quer,
insbesondere senkrecht, angeordnete Sensorachse übertragen ist. Zudem schafft die Anordnung eines Kegelrades an der Schraubenspindelachse, bei dem der Kegelstumpf in Richtung der Schraubenspindel orientiert ist, innerhalb der
Messkammer an den Stirnflächen der Kegelzahnräder einen Freiraum durch den das Fluid beim Durchströmen der Messkammer fließt.
Diese Ausführungsvariante der Erfindung hat den Vorteil, dass die Kegelzahnräder eine direkte Überführung der Drehbewegung der Schraubenspindelachse auf die Sensorachse realisieren, so dass die Auflösung der Rotationsbewegung abhängig von der Wahl der Rotationssensorvorrichtung ist und auf diese Weise direkt gemessen werden kann. Des Weiteren bietet die Verwendung von mindestens zwei ineinandergreifenden Kegelzahnrädern den Vorteil, dass das Fluid an den Stirnflächen der Kegelzahnräder vorbeifließen kann und somit der
Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung signifikant reduziert ist.
In einer besonders hochauflösenden Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kegelzahnräder des Verbindungselementes eine
unterschiedliche Übersetzung bilden. Es ist dabei insbesondere bevorzugt, dass das erste Kegelzahnrad, das mit der Schraubenspindelachse verbunden ist, mehr Zähne aufweist als das zweite Kegelzahnrad, das mit der Sensorachse verbunden ist.
Eine unterschiedliche Übersetzung der Kegelzahnräder für dazu, dass eine Drehung der Schraubenspindelachse nicht unverändert auf eine Drehung der Sensorachse übertragen wird. In dem das erste Kegelrad mehr Zähne als das zweite Kegelrad aufweist, wird beispielsweise erzielt, dass eine Umdrehung der
Schraubenspindelachse in eine vielfache Umdrehung der Sensorachse umgewandelt wird.
Vorteilhafterweise ist eine unterschiedliche Übersetzung der Kegelzahnräder des Verbindungselementes dazu verwendbar, eine typische Umdrehungszahl der
Schraubenspindelachse auf eine bevorzugte Umdrehungszahl des Rotationssensors anzupassen und somit je nach Anwendung eine optimale Lösung zu realisieren. In dem das erste Kegelrad mehr Zähne als das zweite Kegelrad aufweist ermöglicht die Erfindung auf einfache Weise eine mechanische Verbesserung des
Auflösungsvermögens der Durchflussmessvorrichtung, da eine minimale
Winkeländerung der Schraubenspindelachse einer größere Winkeländerung der Sensorachse zur Folge hat.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungselement eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist. Die Verwendung einer biegsamen Welle oder einer Gelenkwelle führt dazu, dass eine Drehung der Schraubenspindelachse direkt in eine Drehung der Sensorachse übertragen ist. Damit ist das
Auflösungsvermögen der Durchflussmessvorrichtung vorteilhafterweise
ausschließlich von dem Auflösungsvermögen der Rotationssensorvorrichtung abhängig.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist es vorgesehen, dass die Sensorachse in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist. Eine druckdichte
Drehdurchführung ermöglicht, dass das Fluid nicht ungewollt aus der Messkammer austreten kann. Insbesondere ermöglicht eine druckdichte Drehdurchführung für die Sensorachse eine Trennung zwischen der Rotationssensorvorrichtung und der Messkammer. Vorteilhafterweise führt dies dazu, dass bei der Auswahl der
Rotationssensorvorrichtung keine Beschränkung bezüglich Widerstandskraft gegen die Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer berücksichtig werden müssen.
Bei einer besonders flexibel verwendbaren Ausführung der Erfindung weist die Sensorachse zwei koaxiale Achsen auf, von denen die erste Sensorachse von der zweiten Sensorachse durch eine Trennwand getrennt ist, wobei die Rotation zwischen der ersten Sensorachse und der zweiten Sensorachse mittels einer
Magnetkupplung berührungslos übertragen ist. Die Magnetkupplung ist dabei insbesondere dadurch gebildet, dass ein messkammerseitiger Magnet an der sensorseitigen Stirnseite der ersten Sensorachse angeordnet ist und ein
sensorseitiger Magnet an der messkammerseitigen Stirnseite der zweiten
Sensorachse angeordnet ist.
Die Einführung einer Trennwand in Kombination mit einer Magnetkupplung führt zu einer Trennung des Volumens der Messkammer von der Rotationssensorvorrichtung. Insbesondere ermöglicht die Trennwand, auch bei sehr hohem Druck innerhalb der Messkammer, eine fluiddichte Trennung der Messkammer von der
Rotationssensoreinheit. Die Verwendung einer Magnetkupplung zwischen den getrennten koaxialen Sensorachsen stellt trotz Trennwand eine direkte Übertragung der Drehung der ersten Sensorachse auf die zweite Sensorachse sicher, so dass die tatsächliche Drehung der Schraubenspindelachse von der Rotationssensoreinheit messtechnisch bestimmt wird.
Die Anordnung einer Trennwand in Kombination mit einer magnetischen Kupplung bietet den Vorteil, dass das Volumen der Messkammer mit einem sehr hohen Druck beaufschlagbar ist, ohne dass das Fluid in Richtung der Rotationssensorvorrichtung austreten kann. Eine Druckdichtigkeit bei besonders hohen Drücken ist insbesondere bei hochviskosen oder pastösen Fluiden von Bedeutung, da diese mit Drücken bis zu 1000 bar beaufschlagt werden, um durch die Messkammer der
Durchflussmessvorrichtung gepresst zu werden. Die Trennwand bietet insbesondere auch dann einen Vorteil, wenn physikalisch oder chemisch reaktive Fluide durch die Durchflussmessvorrichtung befördert werden, da die Rotationssensorvorrichtung mit diesen Materialien nicht in Kontakt kommt.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht es vor, dass die Trennwand aus einem amagnetischen Material besteht und eine Dicke aufweist, die einen druckdichten Abschluss der Messkammer bei einem hohen Druck, typischer Weise bis zu 1000 bar, zur Verfügung stellt. Die Verwendung eines amagnetischen Materials ermöglicht des Weiteren eine effektive Magnetkupplung zwischen der ersten und der zweiten Sensorachse.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest der messkammerseitige Magnet axial mittig eine Öffnung aufweist, die ein Lagerelement aufnimmt, das mit der Trennwand in Kontakt ist.
Ein Lagerelement, das mit der Trennwand in Kontakt ist, bietet die Möglichkeit die erste Sensorachse gegenüber der Trennwand axial zu lagern.
Vorteilhafterweise führt dies dazu dass der Reibungswiderstand der ersten
Sensorachse gegenüber der Trennwand bei einer Drehbewegung reduziert ist, so dass Reibungsverluste minimiert werden und die Winkelstellung der
Schraubenspindel rotatorisch auf die zweite Sensorachse überführt wird.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Lagerelement eine Kugel oder ein Teil mit einer gewölbten Oberfläche ist. Durch die Verwendung einer gewölbten Oberfläche oder einer Kugel als Lagerelement wird der Reibungswiderstand der ersten Sensorachse bezüglich der Trennwandfläche minimiert und dadurch eine reibungsfreie Übertragung der Drehung der
Schraubenspindelachse auf die Sensorachse gewährleistet.
Dies hat den Vorteil, dass der Durchflusswiderstand der gesamten
Durchflussmessvorrichtung reduziert ist und eine Verfälschung der Winkelmessung der Schraubenspindel vermieden wird.
Eine besonders präzise Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationssensorvorrichtung einen Inkrementalgeber aufweist, der nach einem magnetischen, induktiven, kapazitiven oder aber vorzugsweise optischen
Abtastprinzip arbeitet. Die Verwendung eines Inkrementalgebers ermöglicht eine direkte Messung des Drehwinkels der Sensorachse mit einer kontinuierlichen Signalbildung und damit die direkte Messung der Schraubenspindelachse. Als Inkrementalgeber kann bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein beliebiger handelsüblicher Inkrementalgeber verwendet werden, wobei die Auflösung des Inkrementalgebers je nach Anwendung beliebig zu wählen ist.
Vorteilhafterweise ist mit einem Inkrementalgeber eine hochauflösende Bestimmung der Drehwinkelstellung und der Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse durchführbar. Die Auflösung ist typischerweise deutlich höher als bei einem
Zahnradgeber, bei dem die Signalerzeugung auf Grundlage der Abtastung
vorbeilaufender Zähne gemacht wird, wobei das Signal in der Regel durch das Abtasten einer aus ferromagnetischem Material bestehenden Verzahnung mittels eines Magnetfeldsensors erzeugt wird.. Insbesondere lässt sich bei geeigneter Wahl der Rotationssensorvorrichtung, bzw. des Inkrementalgebers, eine höhere
Messwertauflösung erzielen als mit den im Stand der Technik genannten
Zahnradgebern, wobei die Signalerzeug bei der EP 0 741 279 A1 auf der Abtastung der Zähne eines Zahnrades, bei der DE 195 13 781 A1 auf der Abtastung der Zähne eines Spindelrades und bei der EP 2 309 233 A2 auf der Abtastung der Zähne eines Geberrades basiert.
Bei einer besonders sensitiven Ausführungsvariante der Durchflussmessvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Inkrementalgeber auf einer optischen Abtastung basiert.
Die Verwendung eines Sensors, der auf einer optischen Abtastung basiert, ermöglicht es den Drehwinkel der Sensorachse und damit der
Schraubenspindelachse mit einer Genauigkeit zu messen, die um ein Vielfaches höher ist als bei einem aus dem Stand der Technik bekanntem Zahnradgeber.
Insbesondere ist es bei einem optischen Inkrementalgeber nicht notwendig eine Signalinterpolation durchzuführen, die selbst bei sauberen Signalen, einer
intrinsischen Ungenauigkeit unterliegt und einen nicht unerheblichen Rechenaufwand erfordert, der die Ausgabe des Signals verzögert.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung eines optischen Inkrementalgebers eine sehr genaue Messung der Drehwinkelstellung und/oder Drehwinkeländerung einer Schraubenspindel und somit des Fluidvolumens, das eine Messkammer passiert. Eine präzise Bestimmung der Durchflussmenge ist dabei insbesondere bei Anwendung notwendig, die eine präzise und reproduzierbare Dosierung von Fluiden erfordern.
Weitere Merkmale und Einzelheiten einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung sind im Folgenden anhand einer Figur im Detail erläutert.
In Fig. 1 ist der Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der
Durchflussmessvorrichtung dargestellt.
Das Gehäuse 1 der Durchflussmessvorrichtung weist eine Messkammer 2 auf, die in axialer Richtung von einem Fluid F durchströmbar ist, wobei innerhalb der
Messkammer 2 zwei Schraubenspindeln 3 angeordnet sind, deren
Schraubenspindelachsen 4 parallel zur axialen Richtung der Messkammer 2 orientiert sind. Die Messkammer 2 ist in axialer Richtung in zwei Richtungen von einem Fluid F durchströmbar, wobei das strömende Fluid F die Schraubenspindeln 3 in Rotation versetzt. In der Fig. 1 ist nur eine Strömungsrichtung eingezeichnet. Das Volumen des strömenden Fluids F, das durch die Messkammer 2 fließt, wird bestimmt, indem eine Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse 4 mittels einer Rotationssensorvorrichtung 5 gemessen wird. Die Rotationssensorvorrichtung 5 weist dabei eine Sensorachse 6 auf, die gegenüber der Schraubenspindelachse 4 abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement 7 mit der Schraubenspindelachse 4 einer Schraubenspindel 3 rotatorisch verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Rotation der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die
Sensorachse 6 übertragen und von der Rotationssensorvorrichtung 5 bestimmt.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist die Messkammer 2 zwei ineinandergreifende parallel zueinander angeordnete Schraubenspindeln 3 auf, wobei zumindest eine
Schraubenspindelachse 4 einer Schraubenspindel 3 mit einer
Rotationssensorvorrichtung 5 rotatorisch verbunden ist. In der dargestellten
Ausführungsvariante der Erfindung ist die Sensorachse 6 der
Rotationssensorvorrichtung 5 senkrecht zur Schraubenspindelachse 4 angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht die senkrechte Orientierung der Sensorachse 6 eine Anordnung der Rotationssensorvorrichtung 5 an der radialen Außenwand des Gehäuses 1 , so dass eine Zuführung des Fluids F über die axialen Seitenwände der Messkammer 2 nicht behindert ist. Zudem bietet die Anordnung der Rotationssensorvorrichtung 5 an der radialen Außenwand des Gehäuses 1 genügend Raum, um unterschiedliche Arten von Rotationssensorvorrichtungen 5 am Gehäuse 1 der Durchflussmessvorrichtung anzuordnen.
Das Verbindungselement 7 ist in der dargestellten Ausführungsvariante mindestens aus zwei ineinandergreifenden Zahnrädern 7a und 7b gebildet, wobei ein erstes Kegelzahnrad 7a an der Schraubenspindelachse 4 und ein zweites Kegelzahnrad 7b an der Sensorachse 6 angeordnet ist. Die Kegelzahnräder 7a und 7b bieten die Möglichkeit eine Drehung der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die Sensorachse 6 zu übertragen. Zudem wird gegenüber den axialen Stirnseiten der Kegelzahnräder 7a und 7b ein Volumen frei, das von dem Fluid F durchströmbar ist.
Vorteilhafterweise wird durch diese Ausführungsvariante der Durchflusswiderstand der Durchflussmessvorrichtung signifikant reduziert. Ein kleiner Durchflusswiderstand ist dabei insbesondere bei hochviskosen oder pastösen Fluiden von Vorteil, da diese bei einer Erhöhung des Durchflusswiderstandes mit einem deutlich höheren Druck beaufschlagt werden müssten, um durch die Messkammer 2 befördert zu werden.
Die dargestellte Ausführungsvariante zeigt eine Sensorachse 6, die in zwei getrennte koaxiale Sensorachsen 6a und 6b aufgeteilt ist, von denen die erste Sensorachse 6a von der zweiten Sensorachse 6b durch eine Trennwand 8 druckdicht getrennt ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht die Trennung der Messkammer 2 von der Rotationssensorvorrichtung 5 und verhindert ein radial seitliches Austreten des Fluids F aus der Messkammer 2. Die Einführung einer Trennwand hat den Vorteil, dass eine beliebige Sensorart als Rotationssensorvorrichtung 5 auszuwählen ist, ohne auf die Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer Rücksicht nehmen zu müssen.
Die Rotation zwischen der ersten Sensorachse 6a und der zweiten Sensorachse 6b wird berührungslos mittels einer Magnetkupplung durchgeführt. Bei der
Magnetkupplung ist insbesondere ein messkammerseitiger Magnet 9a an der sensorseitigen Stirnseite der ersten Sensorachse 6a angeordnet und ein
sensorseitiger Magnet 9b an der messkammerseitigen Stirnseite der zweiten
Sensorachse 6b angeordnet. Die Magnetkupplung zwischen der ersten Sensorachse 6a und der zweiten Sensorachse 6b ermöglicht eine Übertragung der Drehung der Schraubenspindelachse 4 auf die zweite Sensorachse 6b, so dass die Auflösung der Durchflussmessvorrichtung im Wesentlichen von der Rotationssensorvorrichtung 5 abhängig ist.
Die Trennwand 8 besteht aus einem amagnetischen Material und weist insbesondere eine Dicke auf bei der sichergestellt ist, dass die Messkammer 2 auch bei hohem Druck, der bei hochviskosen Fluiden im Bereich von 1000 bar liegen kann, druckdicht abgeschlossen ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist der messkammerseitige Magnet 9a axial mittig eine Öffnung auf, die ein Lagerelement 10 aufnimmt, das mit der Trennwand 8 in Kontakt ist. Dadurch wird eine axiale Lagerung der ersten Sensorachse 6a realisiert und ein definierter Abstand zwischen dem messkammerseitigen Magneten 9a und dem sensorseitigen Magneten 9b sichergestellt. Das Lagerelement 10 ist vorzugsweise als eine Kugel ausgeführt, die eine minimale Kontaktfläche mit der Trennwand 8 bildet, so dass der Reibungswiderstand des axialen Lagers minimal ist. Die radiale Lagerung der ersten Sensorachse 6a wird in der dargestellten Ausführungsform mittels eines Gleitring 1 realisiert, der an einem Lagerhalter 12 angeordnet ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verbindungselement 7 eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist, die die Sensorachse 6 mit der Schraubenspindelachse 4 rotatorisch verbindet. Durch die Verwendung einer Welle oder einer Gelenkwelle als Verbindungselement wird die Drehbewegung der Schraubenspindelachse 4 direkt auf die Sensorachse 6
übertragen, so dass die Auflösung der Durchflussmessvorrichtung weitestgehend von der Auflösung der Rotationssensorvorrichtung 5 abhängig ist.
Eine weitere nicht dargestellte Ausführung der Erfindung sieht eine Sensorachse 6 vor, die in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist und mit der
Schraubenspindelachse 4 über ein Verbindungselement 7 rotatorisch verbunden ist. Die druckdichte Drehdurchführung der Sensorachse 6 ermöglicht dabei eine
Trennung des Volumens der Messkammer 2 von der Rotationssensorvorrichtung 5, so dass die Sensorart unabhängig von den Umgebungsbedingungen innerhalb der Messkammer 2 auswählbar ist.
Vorzugsweise wird als Rotationssensorvorrichtung ein Inkrementalgeber verwendet, der auf einem magnetischen, induktiven, kapazitiven oder aber vorzugsweise optischen Abtastprinzip basiert. Der Einsatz eines Inkrementalgebers ermöglicht die direkte Auslesung des Drehwinkels und/oder der Drehwinkeländerung und damit die die direkte Bestimmung der Durchflussmenge, wobei eine Signalinterpolation, wie sie beispielsweise bei Zahnradgebern mit magnetischen Sensoren typischer Weise durchgeführt wird, nicht notwendig ist. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der
Winkelmessung der Schraubenspindelachse deutlich verbessern und das
Impulsvolumen pro erzeugten Impuls signifikant verkleinern. Eine Verbesserung der Auflösung ist insbesondere bei sehr kleinen Durchflussmengen wichtig, da hier besonders zuverlässig ein reproduzierbarer Wert zu messen ist. Zudem ist der Rechenaufwand bei einem Inkrementalgeber im Vergleich zu der Interpolation, wie sie bei Zahnradgebern typischerweise verwendet wird, um die Auflösung zu erhöhen, deutlich kleiner, so dass die Information mit dem Durchflusswert deutlich schneller vorliegt. Eine hochauflösende reproduzierbare Messung ist insbesondere bei der Dosierung von Polyurethanen oder Silikonen in der Industrie aus wirtschaftlichen Gründen von entscheidender Bedeutung.
Bei der Auswahl eines geeigneten Inkrementalgebers hat sich während der
Entwicklung gezeigt, dass optische Inkrementalgeber eine geeignete Auflösung aufweisen, um kleinste Durchflussmengen zu bestimmen und auf diese Weise eine hohe Reproduzierbarkeit bei der Dosierung von kleinsten Volumina zu gewährleisten.
Die zugrundeliegende Erfindung ermöglicht den Aufbau einer
Durchflussmessvorrichtung die bei hohem Druck betreibbar ist, einen geringen Durchflusswiderstand aufweist und eine sehr hoch aufgelöste Messung der
Durchflussmenge zur Verfügung stellt.
Bezugszeichen
Gehäuse
Messkammer
Schraubenspindel
Schraubenspindelachse
Rotationssensorvorrichtung
Sensorachse
a erste Sensorachse
b zweite Sensorachse
Verbindungselement
a erstes Kegelzahnrad
b zweites Kegelzahnrad
Trennwand
a messkammerseitiger Magnetb sensorseitiger Magnet
0 Lagerelement
1 Gleitring
2 Lagerhalter

Claims

Ansprüche
1. Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluides, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden (F), deren Gehäuse (1 ) eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer (2) aufweist, und in der zwei ineinandergreifende drehbargelagerte durch ein Fluid (F) antreibbare Schraubenspindel (3) angeordnet sind, deren Schraubenspindelachsen (4) parallel zur axialen Richtung der Messkammer (2) orientiert sind, wobei an dem Gehäuse (1 ) zumindest eine Rotationssensorvorrichtung (5) zur Messung einer Drehwinkeländerung der Schraubenspindelachse (4) angeordnet ist, die mit zumindest einer Schraubenspindel (3) verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationssensorvorrichtung (5) eine Sensorachse (6) aufweist, die gegenüber der Schraubenspindelachse (4) abgewinkelt angeordnet ist und über mindestens ein Verbindungselement (7) mit der Schraubenspindelachse (4) der Schraubenspindel (3) rotatorisch verbunden ist.
2. Durchflussmessvorrichtung nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung (5) senkrecht zur Schraubenspindelachse (4) angeordnet ist.
3. Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) mindestens zwei ineinandergreifende Kegelzahnräder (7a, 7b) aufweist, wobei ein erstes Kegelzahnrad (7a) an der Schraubenspindelachse (4) und ein zweites
Kegelzahnrad (7b) an der Sensorachse (6) angeordnet ist.
4. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelzahnräder (7a, 7b) des Verbindungselementes (7) eine unterschiedliche Übersetzung bilden, insbesondere wobei das erste
Kegelzahnrad (7a) mehr Zähne als das zweite Kegelzahnrad (7b) aufweist.
5. Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist.
6. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorachse (6) in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist.
7. Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorachse (6) zwei getrennte koaxiale
Sensorachsen (6a, 6b) aufweist, von denen die erste Sensorachse (6a) von der zweiten Sensorachse (6b) durch eine Trennwand (8) druckdicht getrennt ist, wobei die Rotation zwischen der ersten Sensorachse (6a) und der zweiten Sensorachse (6b) mittels einer Magnetkupplung berührungslos übertragen wird, insbesondere wobei ein messkammerseitiger Magnet (9a) an der sensorseitigen Stirnseite der ersten Sensorachse (6a) angeordnet ist und ein sensorseitiger Magnet (9b) an der messkammerseitigen Stirnseite der zweiten Sensorachse (6b) angeordnet ist.
8. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (8) aus einem amagnetischen Matena) besteht.
9. Durchflussmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest der messkammerseitige Magnet (9a) axial mittig eine Öffnung aufweist, die ein Lagerelement (10) aufnimmt, das mit der Trennwand (8) in Kontakt ist.
10. Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass das Lagerelement (10) eine Kugel oder ein Teil mit gewölbter Oberfläche ist.
11. Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationssensorvorrichtung (5) einen
Inkrementalgeber aufweist, welcher nach einem magnetischen, induktiven, kapazitiven oder aber vorzugsweise optischen Abtastprinzip arbeitet.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114981065A (zh) * 2020-01-21 2022-08-30 Bc挤压控股有限公司 用于减少塑料物质的排出的波动的方法和装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0078334A1 (de) * 1981-10-30 1983-05-11 Elster & AG Mess- und Regeltechnik Eichfähiger Turbinenradgaszähler mit auswechselbarem Messeinsatz
DE4142062A1 (de) * 1991-12-19 1993-07-01 Salzkotten Tankanlagen Vorrichtung zum messen von fluessigkeitsmengen in zapfsaeulen von kraftfahrzeug-tankstellen
DE19529331A1 (de) * 1994-08-10 1996-02-15 Kem Kueppers Elektromech Gmbh Volumenzähler
WO2004020894A1 (en) * 2002-08-28 2004-03-11 Imeter, B.V. Lubricating device for a high- pressure environment

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE756399A (fr) * 1969-09-26 1971-03-01 Bopp & Reuther Gmbh Compteur de liquide a moulinet woltmann
FR2321111A1 (fr) * 1975-08-11 1977-03-11 Luce Yves Compteur volumetrique
AT400766B (de) 1994-05-05 1996-03-25 Kraeutler Ges M B H & Co Einrichtung zur volumenmessung strömender medien
DE19516236C2 (de) 1995-05-03 1998-09-10 Kem Kueppers Elektromech Gmbh Volumenzähler
AT508805B1 (de) 2009-10-09 2011-06-15 Kral Ag Durchflussmesseinrichtung
DE102011118855A1 (de) * 2010-11-19 2012-05-24 Vse Volumentechnik Gmbh Volumenmesseinrichtung für Fluide mittels Schraubenspindeln
EP2641066B1 (de) 2010-11-19 2019-02-13 VSE VOLUMENTECHNIK GmbH Volumenmessauswerteverfahren und -messeinrichtung

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0078334A1 (de) * 1981-10-30 1983-05-11 Elster & AG Mess- und Regeltechnik Eichfähiger Turbinenradgaszähler mit auswechselbarem Messeinsatz
DE4142062A1 (de) * 1991-12-19 1993-07-01 Salzkotten Tankanlagen Vorrichtung zum messen von fluessigkeitsmengen in zapfsaeulen von kraftfahrzeug-tankstellen
DE19529331A1 (de) * 1994-08-10 1996-02-15 Kem Kueppers Elektromech Gmbh Volumenzähler
WO2004020894A1 (en) * 2002-08-28 2004-03-11 Imeter, B.V. Lubricating device for a high- pressure environment

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114981065A (zh) * 2020-01-21 2022-08-30 Bc挤压控股有限公司 用于减少塑料物质的排出的波动的方法和装置
CN114981065B (zh) * 2020-01-21 2024-03-26 Bc挤压控股有限公司 用于减少塑料物质的排出的波动的方法和装置

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