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Die vorliegende Erfindung hat ein volumetrisches Meßsystem für
Fluiddurchsatz zum Gegenstand.
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Genauer gesagt, betrifft die Erfindung ein System, das in der
Lage ist, Fluiddurchsätze zu messen, insbesondere von
Kohlenwasserstoffen, mit einer hohen Meßqualität, welches System auf einer
volumetrischen Messung des Fluiddurchsatzes basiert.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Realisierung
von Meßgruppen für Kohlenwasserstoffverteiler, jedoch nicht
ausschließlich auf dieses Gebiet der Technik.
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Funktionell bestehen Kohlenwasserstoffverteiler im
wesentlichen aus einer Pumpe zum Ansaugen von Kohlenwasserstoff aus einem
Reservoir und zum Zufördern über die Zapfpistole, einer Meßbaugruppe zum
Messen des tatsächlich an den Verbraucher ausgelieferten Volumens an
Kohlenwasserstoff, und einer Rechnerbaugruppe zum Umsetzen dieser
Messung und Anzeigen der Angabe der Meßbaugruppe in Form eines Volumens und
eines Preises des ausgelieferten Kohlenwasserstoffs.
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Bei beinahe der Gesamtheit der Kohlenwasserstoffverteiler gibt
es heute ein einziges Prinzip, das es ermöglicht, eine Zählung des
Fluids mit einem Fehler zu ermöglichen, der 10&supmin;³ der gemessenen Quantität
in einem Durchsatzintervall von mindestens 1 bis 20 ermöglicht.
Demgemäß sind alle Brennstoffverteiler heute mit volumentrischen Zählern mit
abgedichtetem Kolben ausgestattet, welcher nach dem Prinzip der
Dampfmaschine arbeitet. Die wechselseitige Verlagerung eines Kolbens in einem
Zylinder unter der Wirkung des Fluiddrucks mittels automatischer und
synchronisierter Öffnung von Einlaß- und Auslaßventilen wird dann in
eine kontinuierliche Drehbewegung umgesetzt, dank
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einer korrekten Einstellung des Öffnens und Schließens der
Ventile,
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einer perfekten inneren Abdichtung,
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einer bei jedem Zyklus erfolgenden vollständigen Entleerung
und Wiederauffüllung,
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und einer präzisen inkrementalen Messung des Drehwinkels die
gewünschte Meßgenauigkeit zu garantieren ermöglicht. Der so realisierte
volumetrische Zähler hat im allgemeinen eine erhebliche Größe und führt
zu einem nicht vernachlässigbaren Druckverlust zur Überwindung der
inneren Reibungen zwischen den beweglichen Kolben und den Zylinderwandungen.
Infolgedessen ist dieser Typ von volumentrischem Zähler gleichermaßen
ein wirklicher Hydraulikmotor, der ohne Probleme genug Energie liefern
kann, um zusätzlich die komplizierten Mechanismen des Volumen-Preis-
Rechners, die am häufigsten verwendet werden, anzutreiben.
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Die Baugruppen der mechanischen Rechner werden jetzt meistens
ersetzt durch elektronische Rechner, gebildet von einem elektronischen
kontaktlosen Drehungsdetektor der Meßbaugruppe. Der Bedarf an Leistung
hydraulischer Herkunft, die erforderlich war für den Antrieb des
mechanischen Rechners, besteht demgemäß nicht mehr.
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Außerdem weiß man, daß im Fall eines
Kohlenwasserstoffverteilers man über mechanische Leistung verfügt, die erforderlich ist für den
Antrieb der Pumpe, oder über elektrische Leistung. Man kennt bereits aus
der US Patentschrift 3,788,142 eine Meßvorrichtung, die unter anderem
auch als Meßgerät dienen könnte für ein Volumen, geliefert pro
Zeiteinheit. Diese Vorrichtung ist mit einem Motor vom Turbinentyp
ausgestattet, beispielsweise als mechanischer Zähler, und mit Mitteln, die im
wesentlichen die Druckverluste des Fluids zwischen dem Einlaß und Auslaß
des Fluids annullieren. Man weiß jedoch, daß ein solcher Apparat gemäß
US-3,788,142 Probleme hervorrufen könnte, wenn eine solche Vorrichtung
als volumentrisches Kohlenwasserstoffmeßgerät, montiert in einer
Benzinverteilerpumpe, eingesetzt würde.
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Angesichts dieser Situation ist ein Gegenstand der
vorliegenden Erfindung die Verbesserung eines volumetrischen Zählers als eine
Vorrichtung, die die gleiche Genauigkeit besitzt wie die früheren
Zähler, und darüber hinaus unempfindlich ist gegenüber der Natur des
Fluids.
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Um dieses Ziel zu erreichen, besteht das Prinzip der Erfindung
darin, ein volumetrisches Präzisionsmeßsystem zu realisieren, ausgehend
von einer an sich bekannten volumetrischen umlaufenden mechanischen
Zählvorrichtung, bei der jedoch die Reibung in jedem Augenblick durch
die Anwendung einer entgegengerichteten Kraft annulliert wird, deren
Intensität durch einen Regelmechanismus bestimmt wird.
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Um dieses Ziel zu erreichen, umfaßt das Durchsatzmeßsystem
einen Einlaß und einen Auslaß des zu messenden Fluids, Mittel (38, 110)
zum Gewinnen einer Information, die repräsentativ ist für den
Fluiddruckverlust zwischen dem Einlaß und dem Auslaß, und Mittel (118, 18),
gesteuert von der Information zum übertragen auf den mechanischen Zähler
(14, 108) von Energie zum weitgehenden Annullieren der Druckverluste,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Differenzdrucksensor (38,
120) handelt zum Gewinnen einer Information, die repräsentativ ist für
den Fluiddruckverlust zwischen dem Einlaß (32, 110) und dem Auslaß (34,
112).
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Man erkennt demgemäß, daß das Meßsystem sich in Form eines
Systems darstellt, das eine Regelschleife bildet, die dem Zähler die
Energie zuführt, die erforderlich ist, um die Druckverluste zwischen
seinem Einlaß und seinem Auslaß infolge Reibung zwischen den beweglichen
Teilen und den festen Teilen desselben zu annullieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel
zum Bereitstellen der Informationen einen Differenzdruckzähler zwischen
dem Einlaß und dem Auslaß des Zählers, und die Mittel zum Übertragen der
Energie umfassen Motormittel, gesteuert von der genannten
Differenzdruckinformation, um ein Antriebsmoment auf den Zähler zu übertragen mit
der Tendenz, seine Druckverluste auf diese Weise zu annullieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich deutlicher aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung bezieht sich
auf die beigefügten Zeichnungsfiguren, in welchen:
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Die Figur 1 eine Vertikalschnittansicht eines Meßsystems gemäß
einer ersten Ausführungsform ist; und
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die Figur 2 im Vertikal schnitt eine zweite Ausführungsform der
volumetrischen Meßgruppe darstellt.
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Indem zunächst auf Figur 1 eingegangen wird, wird eine erste
Ausführungsform des Meßsystems gemäß der Erfindung beschrieben. Dieses
ist in das Innere eines Gehäuses 10 eingeschlossen, das seinerseits eine
erste Kammer 12 begrenzt, in der der volumetrische Zähler 14
untergebracht ist, und eine zweite Kammer 16 begrenzt, in der die
Korrektureinrichtung 18 montiert ist. Die Kammer 16 umfaßt die Auslaßleitung 17 des
Meßsystems. Der Zähler 14 ist beispielsweise vom Zahnradtyp, gebildet
von einer Außenverzahnung 20 und einer Innenverzahnung 22. Derartige
Zähler sind bekannt und beispielsweise beschrieben in der Europäischen
Patentanmeldung Nr. 0 344 059, hinterlegt auf den Namen der Anmelderin.
Das angetriebene Zahnrad 22 ist mit einer Längswelle 24 verbunden,
montiert in Lagern 26 und 28, die in die Wandungen des Gehäuses 10
eingefügt sind, sowie eine Zwischenwand 30, die die Kammer 12 des Zählers 14
von der Kammer 16 des Korrektursystems 18 trennt. Die Kammer 12 des
Zählers 14 umfaßt einen Einlaßkanal 32 für den zu messenden
Kohlenwasserstoff und einen Kanal oder eine Passage 34 für den Auslaß dieses
Kohlenwasserstoffs. Genauer gesagt, bewirkt die Passage 34 die Kommunikation
zwischen den Kammern 12 und 16.
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Das Korrektursystem 18 ermöglicht, auf den Zähler 14 ein
Drehmoment zu übertragen, geliefert von einem außerhalb des Gehäuses 10
befindlichen Motororgan, wenn die Differenz des Drucks zwischen dem Einlaß
32 des Zählers und seinem Auslaß 34 von Null abweicht. Für diesen Zweck
besteht das Korrektursystem 18 in wesentlichen aus einem
Differenzdrucksensor, der insgesamt mit 38 bezeichnet ist, und einer
Kupplungseinrichtung, die von dem Differenzdrucksensor 38 gesteuert wird, um die
mechanische Energie, erzeugt von den Motormitteln 36, auf den Zähler 14 zu
übertragen, um ständig den Verlust in demselben zu unterdrücken.
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Der Differenzdrucksensor 38 wird im wesentlichen gebildet von
einer deformierbaren Membran 40, deren Peripherie mit der Seitenwandung
des Gehäuses 10 verbunden ist, sowie von einer zentralen Platte 42. Die
zentrale Partie 44 der Platte 42 bildet eine Nabe, die frei auf der
Welle 46 gleiten kann, die mit den Motormitteln 36 verbunden ist. Die
Platte 42 und die deformierbare Membran 40 begrenzen mit der Wandung 48
des Gehäuses 10 eine abgedichtete Kammer 50, in die ein Kanal 52 mündet,
der die Kammer 50 mit der Einlaßleitung 32 des Zählers 14 verbindet.
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Demgemäß wird die Kammer 50 ständig unter einem Druck gleich dem
Einlaßdruck des Fluids in den Zähler 14 gehalten. Man versteht außerdem,
daß die Baugruppe, gebildet von der deformierbaren Membran 40 und der
Platte 42, einer Druckdifferenz ausgesetzt ist, die gleich der Differenz
zwischen dem Einlaßdruck, der in der Kammer 50 herrscht, und dem
Auslaßdruck des Zählers ist, der in dem Rest des Gehäuses 16 herrscht. Die
Nabe 44 verlagert sich demgemäß auf der Welle 46, wenn eine
Druckdifferenz auftritt.
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Wie Figur 1 zeigt, ist die Endfläche 44a der Nabe 44 mit einer
reibungsmindernden Scheibe 54 versehen. Eine erste Kupplungsplatte 56
ist auf der Welle 46 derart angeordnet, daß sie frei verschieblich,
jedoch drehfest mit dieser ist. Dies wird vorzugsweise durch das
Zusammenwirken von Innennuten 58 bzw. Außennuten 60 bewirkt, die auf der Welle
46 bzw. in der ersten Kupplungsscheibe 56 ausgebildet sind. Eine zweite
Kupplungsscheibe 61 ist gleit- und drehfest mit dem Ende der Welle 24
des Zählers 14 verbunden. Ein reibungserhöhendes Material ist zwischen
den einander gegenüberliegenden Seiten der Kupplungsplatten 56 und 61
eingefügt, um Drehgleitreibung zu bewirken, wenn die Kupplungsscheiben
zunehmend gegeneinander gedrückt werden.
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In Figur 1 sind Motormittel 36 dargestellt in Form einer
Riemenscheibe 62, die auf dem Ende der Welle 46 montiert ist, und in Form
eines Riemens 64, der die Riemenscheibe 62 mit einem Motor verbindet,
bei dem es sich beispielsweise um den Motor der Pumpe des
Kohlenwasserstoffverteilers handelt.
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Beim Fehlen von Durchsatz in dem Zähler 14 nimmt die Platte 42
ihre Ruhestellung ein, wobei die zentrale Partie 44 der Scheibe 42 nicht
in Kontakt mit der Scheibe 54 ist. Infolgedessen sind auch die
Kupplungsplatten 56 und 61 nicht in Kontakt miteinander. Wenn sich ein
Durchsatz in dem Zähler 14 ergibt, ergibt sich notwendigerweise eine
Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 32 und dem Auslaß 34 des Zählers,
der, da er nicht abgedichtet ist mit einer Geschwindigkeit umläuft, die
eine Korrektur erforderlich macht, um als Meßgröße verwendbar zu sein.
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Die deformierbare Membran und ihre Platte 42 verlagern sich
nun in der durch den Pfeil F angedeuteten Richtung. Die Verlagerung
bewirkt eine Verschiebung in der gleichen Richtung der ersten
Kupplungsplatte 56, bis sie sich an die zweite Kupplungsplatte 61 anlegt, und
diese zunehmend durch Reibung mitnimmt. Die Platte 56 dreht sich immer
schneller als die angetriebene Platte 61 und überträgt auf diese durch
Reibung ein Drehmoment, das unter Beschleunigung des Zählers 14 dessen
Druckverluste zunehmend verringert, die dann gegen Null gehen. Es
handelt sich schließlich um einen Restdruckverlust, der erheblich
verringert ist, welcher die permanente Anlage der Platten 56 und 61
aneinander sicherstellt. Mechanische Energie wird demgemäß auf den Zähler
14 übertragen. Diese wird größer, bis eine permanente Anlage, dosiert
durch den Servomechanismus, einen Gleichgewichtszustand sicherstellt,
indem der Zahnradzähler 12 praktisch ohne internes Lecken umläuft und
auf diese Weise eine Messung hoher Qualität ermöglicht.
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Man gelangt umso besser zu diesem Idealzustand des
Druckverlustes Null, je höher man die Verstärkung des so aufgebauten
Regelmechanismus bei geöffneter Regelschleife wählt. Dies erreicht man im
wesentlichen, indem man dem Differenzdrucksensor, d.h. der Platte 42 und der
deformierbaren Membran 40, einen hohen wirksamen Querschnitt verleiht.
Dieses Resultat wird gleichermaßen erzielt, indem man der von den
Motormitteln 36 angetriebenen Welle eine hohe Drehzahl überträgt.
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Die Drehung der Welle 24 des Zählers ist demgemäß jene der
Kupplungsplatte 61 und repräsentiert den den Zähler 12 durchsetzenden
Fluiddurchsatz. Ein Drehsensor, der in der Figur nicht dargestellt ist,
kann in das Fluid in der Nachbarschaft der Platte 61 eingebaut werden,
um die Drehung dieser letzteren zu messen und eine Zählung des
Fluiddurchsatzes sicherzustellen. Es ist auch festzuhalten, daß das die
Kammer 16 füllende Fluid, das demgemäß das mechanische
Energieübertragungssystem umschließt, dessen Schmierung und Kühlung sicherstellt.
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Indem nun auf Figur 2 eingegangen wird, erfolgt die
Beschreibung einer zweiten Ausführungsform des Meßsystems.
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Dieses umfaßt ebenfalls ein Gehäuse 100, das in zwei mit 102
bzw. 104 bezeichnete Kammern durch eine abdichtende innere Trennwand 106
unterteilt ist. In der Kammer 104 ist drehbar ein Zahnradzähler 108 des
bereits in Verbindung mit Figur 1 beschriebenen Typs eingebaut. Die
Kammer
104 umfaßt eine Einlaßkanal 110 für den Kohlenwasserstoff und einen
Auslaßkanal 112, der direkt mit der Kammer 102 verbunden ist. Der
volumetrische Zähler 108 umfaßt eine Ausgangswelle 114, die abgedichtet
drehbar in der Trennwand 106 gelagert ist und demgemäß in die Kammer 102
ragt. Die Kammer 102 enthält das Korrektursystem 116. Dieses wird im
wesentlichen gebildet von einem Differenzdrucksensor 120 und einem
mechanischen Energieübertragungsorgan 122. Wie im Falle der Figur 1, wird der
Differenzdrucksensor 120 von einer deformierbaren Membran 124, auf der
eine zentrale Platte 126 befestigt ist, gebildet. Die Membran 124 und
die Platte 126 begrenzen mit einer Wandung des Gehäuses 100 eine innere
Kammer 127. Die innere Kammer 127 steht in Kommunikation mit dem
Einlaßkanal 110 für den Kohlenwasserstoff über einen Kanal 128. Der Druck in
der Kammer 127 ist demgemäß ständig gleich dem Einlaßdruck des
Kohlenwasserstoffs in den Zähler 108. Im übrigen ist die Platte 126 mit einer
Welle 130 verbunden, die gleitbeweglich in einer Ausnehmung 132 der
Wandung des Gehäuses gelagert ist.
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Die mechanische Korrekturenergie wird von einem Motormittel
134 geliefert, dessen Ausgang mit einer Riemenscheibe 136 über einen
Riemen 138 verbunden ist. Die Riemenscheibe 136 ist am Ende einer Welle
140 montiert, die abdichtend die Wandung des Gehäuses 100 durchsetzt.
Die Welle 140 bildet die zentrale Achse eines Differentialsystems mit
dem Gesamtbezugszeichen 142. Wie bekannt, umfaßt das Differentialsystem
142 ferner eine erste Abtriebswelle 144, die drehfest verbunden ist mit
der Welle 114 des Zählers 108, und eine zweite Abtriebswelle 146, die
verbunden ist mit einer Bremsplatte 148, welche gegenüber der Platte 126
des Differenzdrucksensors angeordnet ist. Die Platte 148 ist auf ihrer
Seite 148a mit einem reibungserhöhenden Material versehen. Schließlich
umfaßt das Gehäuse 102 einen Auslaßkanal 150, der den Auslaß des
Meßsystems bildet.
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Die Wirkungsweise dieser zweiten Ausführungsform des
Meßsystems ist die folgende: Wenn der volumetrische Zähler 104 einen
Druckverlust aufweist, wird eine Druckdifferenz auf die deformierbare Membran
124 ausgeübt. Daraus folgt eine Verlagerung der Platte 126 in der
Richtung, die mit dem Pfeil F' angegeben ist. Die Platte 126 gelangt in
Kontakt
mit der Bremsscheibe 148, was zur Folge hat, die
Drehgeschwindigkeit V&sub2; der Welle 146 des Differentials 142 abzusenken. Da die
Drehgeschwindigkeit V der Welle 140, angetrieben von den Motormitteln 134,
konstant ist, erhöht sich die Drehgeschwindigkeit V&sub1; der Welle 144 und
überträgt auf diese Weise die mechanische Energie auf den
volumentrischen Zähler 108. Diese Energiezufuhr hat die Tendenz, die Druckverluste
zu annullieren und demgemäß die Druckdifferenz des Fluids zwischen dem
Einlaß 110 und dem Auslaß 112. Der Druckverlust bleibt annulliert,
solange die Platte 126 mit einem Druck in Anlage gehalten wird, der durch
den Membranregler dosiert wird. Man versteht, daß hier eine
Regelschleife für den Zähler gebildet worden ist derart, daß die Druckdifferenz an
den Anschlüssen des Zählers immer auf Null gehalten wird.
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Man versteht ferner, daß diese Regelung unter Kompensation der
Druckverluste das Auftreten von Lecks im Inneren des Zählers verhindert.
Daraus ergibt sich, daß die Meßqualitäten des Zählers, die zunächst
mittelmäßig waren, erheblich verbessert wurden, selbst während der Phasen
der Beschleunigung des Zählers.
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Es versteht sich von selbst, daß von der Erfindung nicht
abgewichen wird, wenn man dem volumentrischen Zähler einen anderen
Differenzdrucksensor und einen anderen Kupplungsmechanismus zwischen den
externen Motormitteln und der Zählerwelle zuordnet, um dauernd die
internen Reibungen des Zählers zu kompensieren.