DE102016002093A1

DE102016002093A1 - Durchflussmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102016002093A1
Application number: DE102016002093.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Bönninghoff; Björn Schönfeldt
Original assignee: Kracht GmbH
Current assignee: Kracht GmbH
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-24
Also published as: WO2017144155A1

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 zumindest eine 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, 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

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung zur Volumenmessung eines strömenden Fluids, insbesondere von hochviskosen oder pastösen Fluiden, deren Gehäuse eine in axialer Richtung durchströmbare Messkammer aufweist, und in der zumindest eine drehbar gelagerte durch ein Fluid antreibbare Schraubenspindel angeordnet ist, 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.
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 Fluidvolumen. 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 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 [Imp./l] und die zweite Kennzahl ist das so genannte Impulsvolumen, das durch das Fluidvolumen pro erzeugtem Impuls [cm³/Imp.] 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 magneto-elektrischen 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 Volumenstrompulsation 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 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 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 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 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 11 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.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Messkammer
3: Schraubenspindel
4: Schraubenspindelachse
5: Rotationssensorvorrichtung
6: Sensorachse
6a: erste Sensorachse
6b: zweite Sensorachse
7: Verbindungselement
7a: erstes Kegelzahnrad
7b: zweites Kegelzahnrad
8: Trennwand
9a: messkammerseitiger Magnet
9b: sensorseitiger Magnet
10: Lagerelement
11: Gleitring
12: Lagerhalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0741279 A1 [0003, 0038]
DE 19513781 A1 [0005, 0038]
EP 2309233 A2 [0006, 0038]
WO 2012/065883 A2 [0007]

Claims

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 zumindest eine 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, 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.
Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (2) zwei ineinandergreifende Schraubenspindeln (3) aufweist, deren Schraubenspindelachsen (4) parallel ausgerichtet sind, wobei zumindest eine der Schraubenspindeln (3) mit der Rotationssensorvorrichtung (5) verbunden ist.
Durchflussmessvorrichtung nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorachse der Rotationssensorvorrichtung (5) senkrecht zur Schraubenspindelachse (4) angeordnet ist.
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.
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.
Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (7) eine biegsame Welle oder eine Gelenkwelle ist.
Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorachse (6) in einer druckdichten Drehdurchführung gelagert ist.
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 überfragen 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.
Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (8) aus einem amagnetischen Material besteht.
Durchflussmessvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, 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.
Durchflussmessvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (10) eine Kugel oder ein Teil mit gewölbter Oberfläche ist.
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.