Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät zum Messen eines Volumenstromes mit einem Hydraulikmotor, der keine mechani¬ sche Leistung nach außen abgibt und dessen Ausgangsdruck, entsprechend seinen hydromechanischen Verlusten, geringfügig niedriger als der Eingangsdruck ist.

Es ist bekannt, daß herkömmliche Axial- oder Radialkolbenmo¬ toren zur Durchflußmessung eines Volumenstromes Anwendung finden. Nachteilig bei diesen Hydraulikmotoren ist eine rela¬ tiv hohe Leckstromrate (2 % bis 6 %, bezogen auf den gesamten Schluckstrom) . Der obere Wert wird bei niedriger Drehzahl und hohen Drücken, der untere Wert bei hoher Drehzahl und kleinen Drücken erreicht. Für viele Anwendungen, wie etwa bei der Istwerterfassung in elektrohydraulischen Verstärkern oder bei der Durchflußmengenregelung von fließfähigen Mehrkomponenten¬ systemen, insbesondere Polyurethansystemen, ist eine derart hohe Leckstromrate, die die Meßgenauigkeit entsprechend ver¬ schlechtert, nicht akzeptabel.

Es sind ferner Zahnradmotore bekannt, die keine mechanische Leistung nach außen abgeben und in deren Innenräumen überall

im Rahmen ihrer hydromechanischen Verluste der nahezu gleiche Flüssigkeitsdruck herrscht.

Die oben genannten Zahnradmo ore finden als Durchflußmeßgerät wegen ihrer Einfachheit Anwendung in vielen Bereichen. Ihr Anlaufverhalten ist jedoch schlecht und mit relativ großem Schlupf behaftet. Die Meßgenauigkeit ist aufgrund des inneren Druckausgleichs und der entsprechend niedrigen inneren Leck¬ verluste besser als. bei den herkömmlichen Axial- bzw. Radial¬ kolbenmotoren. Es ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, ei¬ ne Meßwelle aus einem solchen Durchflußmeßgerät nach außen zu führen, da das mit der Meßwelle gekoppelte Zahnrad eine große Axialkraft aufnehmen müßte, was die hydromechanischen Verlu¬ ste vergrößern und die Meßgenauigkeit sowie die Lebensdauer des Gerätes verkleinern würde.

Aus der EP 0 003 563 ist ein leckstromfreier Hydraulikmotor bekannt, der zur Istwerterfassung in einem elektrohydrauli¬ schen Verstärker benutzt wird. Dieser Hydraulikmotor ist je¬ doch ein Linearmotor, so daß er sich nur für begrenzte Volu¬ mendruchsätze eignet. Ein kontinuierlicher Volumenstrom ist damit grundsätzlich nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Durchflußmeßgerät zum Messen eines Volumenstroms so auszubil¬ den, das auch innerhalb eines elektrohydraulischen Verstär¬ kers eingesetzt werden kann und sowohl eine kontinuierliche als auch eine exakte Druchflußmessung (Meßgenauigkeit 0,1 %) ermöglicht, wobei die Nachteile der bekannten einschlägi¬ gen Durchflußmeßgeräte vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Durchflußmeßgerät der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hydrau¬ likmotor als Hubverdrängermaschine ausgebildet ist, daß der Triebwerksraum des Hydralikmotors ständig mit dessen Ausgang

verbunden ist und daß der Hydraulikmotor eine rotierende Mo¬ torwelle hat, die als Meßwelle ausgebildet ist.

Die bekannten Hubverdrängermotoren weisen gegenüber allen an¬ deren Bauarten die niedrigsten Leckverluste infolge der guten Abdichtung der zylindrischen Passungen auf. Bei den schieber¬ gesteuerten Hydraulikmotoren setzen sich die Leckverluste aus einem inneren und einem äußeren Leckstrom zusammen. Der äus- sere Leckstrom enthält alle Anteile an Druckflüssigkeit, die von der Druckseite (= Eingang) und von der Rücklaufseite (= Ausgang) her in den Triebweksraum (= Leckδlraum) eindringen. Dies sind z.B. die Flüssigkeitsmengen, die zwischen Kolben und Zylinder, vom hydrostatischen Druckfeld oder auch von der Steuerung aus, in den Leckölraum des Motors eintreten. Da der Lecköldruck üblicherweise nur geringfügig über dem Atmosphä¬ rendruck liegt, ist das Druckgefälle beim äußeren Leckstrom, auch wenn der Hydraulikmotor keine mechanische Leistung nach außen abgibt, sehr groß. Die inneren Leckverluste dagegen sind Kurzschlußverluste an der Steuerung, die, ohne Arbeit zu leisten, sofort in die Rücklaufleitung abfließen.

Wird ein herkömmlicher Hubverdrängermotor als Durchflußmeßge¬ rät eingesetzt, so liegt der Ausgangsdruck, entsprechend den hydromechanischen Verlusten des Motors, nur noch geringfügig unter dem Eingangsdruck. Damit werden auch die inneren Leck¬ verluste vernachlässigbar klein. Nicht zu vernachlässigen sind dagegen die äußeren Leckströme, die sowohl zwischen Kol¬ ben und Zylinder als auch von der Steuerung aus, in den Leck¬ ölraum des Motors eintreten.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerät dagegen lassen sich auch die äußeren Leckverluste, ähnlich wie bei den vor¬ genannten inneren Leckagen, auf ein unschädliches Maß redu¬ zieren, indem der Leckölraum (= Triebwerksraum) mit dem Aus¬ gang des Motors verbunden wird, so daß das Druckgefälle des äußeren Leckstroms sich auch im Rahmen der hydromechanischen

Verluste des Motors bewegt. Die daraus resultierenden Leck¬ verluste sind ebenfalls vernachlässigbar klein. Weitere tech¬ nische Vorteile der Erfindung sind eine sehr gute reprodu¬ zierbare Meßgenauigkeit (Meßfehler < ^" 0,1 %), sehr großer Me߬ bereich (etwa 1 : 1000) sowie ein sehr großer Druckbereich (bis etwa 1000 bar). Aufgrund der sehr kleinen Druckdifferen¬ zen zwischen Ein- und Ausgang des Hydraulikmotors ist die Be¬ lastung sämtliher Triebwerksteile sehr gering, was der Le¬ bensdauer (geringe Reibung), insbesondere bei hohen Drücken und Drehzahlen, zugute kommt. Neben den technischen Vorteilen weist das Druchflußmeßger t nach der Erfindung den großen Vorteil auf, daß zu seiner Verwirklichung konventionelle Se¬ rienmotoren lediglich modifiziert werden müssen. Die wesent¬ lichen Bauteile können aus der Serienfertigung herausgenommen werden, so daß eine wirtschaftliche Fertigung des erfindungs¬ gemäßen Durchflußmeßgerätes möglich ist.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Durch¬ flußmeßgerät so ausgebildet sein, daß der Hydraulikmotor ein Axial- oder Radialkolbenmotor ist.

Axial- bzw. Radialkolbenmotoren erlauben besonders kompakte Ausf hrungen, wobei die bekanntesten Bauformen die schieber¬ gesteuerten Maschinen sind. Die Schiebersteuerung ist dabei entweder in den rotierenden Zylinderblock verlegt (Axialkol¬ benmotor) oder wird mit Drehschiebern bzw. exzenterbetriebe¬ nen Längsschiebern ausgeführt (Radialkolbenmotor) . Der Radi¬ alkolbenmotor läßt eine große Anzahl sternförmig um die Kur¬ belwelle verteilter Kolben zu, was eine sehr geringe Strom¬ pulsation emöglicht (0,1 % beim 21-Kolben-Motor) . Da darüber hinaus die meisten Radilkolbenmotoren von Hause aus mit dick¬ wandigen, druckfesten Gehäusen ausgestattet sind, ist diese Bauart für das Durchflußmeßgerät nach der Erfindung besonders geeignet. Aufgrund der extrem kleinen Massenträgheitsmomente ist auch eine gute Eignung für regeltechnische Anwendungen,

z.B. innerhalb eines elek rohydraulischen Verstärkers, gege¬ ben, wobei auch große und sehr schnelle Druckschwankungen des zu messenden Volumenstromes für das Durchflußmeßgerät nach der Erfindung völlig unschädlich sind.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Meßwel¬ le mechanisch oder magnetisch an einen Meßwertgeber mit elek¬ trischem Ausgang gekoppelt sein, der die Rotationsbewegung der Meßwelle in entsprechende elektrische Ausgangssignale um¬ wandelt .

In Abhängigkeit von dem zu messenden Medium, dem Druck, der Temperatur sowie von dem gewünschten Ausgangssignal kann die Übertragung der Drehwinkelmessung entweder stopfbuchsenlos über eine Permanentmagnetkupplung oder etwa mittels eines Hall-Effekt-Sensors erfolgen. Wird eine direkte Kopplung der Meßwelle mit einem mechanischen Meßwertumformer gewünscht, so ist die Meßwelle zweckmäßigerweise mit einer Gleitringdich¬ tung abzudichten, die auch bei hohen Drücken und Gleitge¬ schwindigkeiten nahezu leckagefrei abdichtet. Die dabei ent¬ stehenden Axialkräfte können durch entsprechend dimensionier¬ te Kurbelwellenlager abgefangen werden.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Durch¬ flußmeßgerät so ausgebildet sein, daß der Hydraulikmotor Be¬ standteil eines elektrohydraulischen Verstärkers ist, wobei die Meßwelle des Hydraulikmotors mit einem an sich bekannten Kopier-Steuerventil mechanisch gekoppelt ist, welches mit ei¬ nem elektrischen Steuermotor verbunden ist, und daß der Hy¬ draulikmotor zur kontinuierlichen Istwerterfassung eines vom elektrohydraulischen Verstärker zu messenden und zu regelnden Volumenstromes dient.

Der elektrohydraulische Verstärker, der aus dem Durchflußme߬ gerät nach der Erfindung, einem an sich bekannten Kopier- Steuerventil und einem Steuermotor besteht, dient zum Messen

und Regeln eines vorwählbaren Volumenstromes. Dem Steuermotor wird dabei eine vorwählbare rotative Vorgabebewegung (= Soll¬ wert) aufgeprägt, die mit Hilfe des Kopier-Steuerventils , das jegliche nichtsynchrone Bewegung zwischen dem Steuer- und dem Hydraulikmotor mittels eines den Volumenstrom drosselnden Steuerschiebers' korrigiert , in eine rotative Ausgangsbewegung des Hydraulikmotors (= Istwert) drehwinkelgetreu kopiert wird und wobei der Schluckstrom des Hydraulikmotors (= gemessener Volumentstrom) in direktem Verhältnis zu der vom Hydraulikmo¬ tor erzeugten Drehbewegung steht. DAs Durchflußmeßgerät dient hier nicht nur zur kontinuierlichen Istwerterfassung, sondern auch zur dynamischen Korrektur des im Kopier-Steuerventils integrierten hydromechanischen Regelkreises, indem die Me߬ welle über eine Spindel-Mutter-Verbindung bei einer Soll-Ist- wert-Differenz den Istwert durch mechanisches Verstellen des im Kopier-Steuerventils befindlichen Steuerschiebers an den Sollwert angleicht. Im Gegensatz zu elektrischen Istwertauf— nehmern erfolgen die Istwerterfassung, der Soll-Istwert-Ver- gleich sowie die Sollwertangleichung gleichzeitig, so daß die hei elektrischen Regelkreisen üblichen Regelschwingungen nicht auftreten, die bei Druck-bzw. Lastschwankungen im Sy¬ stem zu einem kurzzeitig über-bzw. untersteuerten Volumen¬ strom führen.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Durch¬ flußmeßgerät so ausgebildet sein, daß die Gehäuse von Hydrau- likmotor und Kopier-Steuerventil dichtend miteinander verbun¬ den sind und daß zur Reduzierung von Leckagen der Triebwerks¬ raum vom Hydraulikmotor mit dem Leckölraum des Kopier-S euer¬ ventils verbunden ist.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Durch¬ flußmeßgerät so ausgebildet sein, daß die Gehäuse von Kopier- Steuerventil und Steuermotor dichtend miteinander verbunden sind und daß der Innenraum des Steuermotors mit dem Trieb¬ werksraum des Hydraulikmotors verbunden ist.

Im Unterschied zu bekannten Vorrichtungen verzichten die Aus¬ führungen nach den beiden letzten Vorschlägen auf die übli¬ chen Wellenabdichtungen an der Meßwelle und gegebenenfalls auch, je nach Beschaffenheit des Steuermotors, an der Steuer¬ motorwelle. Wegen der geringen Druckdifferenzen zwischen dem Zu- und Ablauf bleiben die inneren Leckagen in diesem Fall vernachlässigbar klein, da die Leckölräume von Hydraulikmotor und Kopier-Steuerventil den nahezu gleichen Flüssigkeitsdruck aufweisen. Wird auch der Innenraum des Steurmotors mit dem Triebwerksraum des Hydraulikmotors verbunden, so gilt das oben genannte analog.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Durch¬ flußmeßgerät in einem elektrohydraulischen Verstärker zum Messen und Regeln eines vorwählbaren Volumenstromes zum An¬ trieb für Dosierpumpen bei der Mehrkomponentendosierung von fließfähigen Reaktionskomponenten in eine Mischkammer Anwen¬ dung finden.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerätes in¬ nerhalb eines elektrohydraulischen Verstärkers bei der Mehr¬ komponentendosierung von fließfähigen Reaktionskomponenten vermeidet nicht nur die systembedingten Nachteile des eben¬ falls zu Dosierzwecken eingesetzten Linearverstärkers, son¬ dern bringt auch zusätzliche funktioneile Vorteile für diesen Anwendungsbereich :

Aufgrund der wesentlich kleineren bewegten Massen des rotie¬ renden Hubkolbenmotors im Vergleich zum Linear-Hydraulikmotor ist die Regelgeschwindigkeit der oben vorgeschlagenen Ausfüh¬ rung entspreechend größer als die des elektrohydraulischen Linearverstärkers. Weiterhin besitzt die Ausführung nach der Erfindung eindeutige Vorteile bei Faltenbalg- und anderen Membran-Dosierpumpen, die nicht eine konstante Vorschubge¬ schwindigkeit des Verdrängers, sondern einen konstanten Volu-

menstrom verlangen. Da der elektrohydraulische Verstärker mit dem erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerät im Gegensatz zum Li¬ nearverstärker keinen Kolbenrückhub benötigt, kann kontinu¬ ierlich dosiert werden. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß bei Einhubdosierpumpen eine größere Rückhubgeschwindig¬ keit erzielt werden kann, da der Rückhub der Einhubdosierpum¬ pen durch schnellere Antriebe ersetzt werden kann. Der Line¬ arverstärker dagegen kann grundsätzlich nur gleiche Kolbenge¬ schwindigkeiten in beiden Richtungen ausführen, wobei die zu¬ lässige Kolbengeschwindigkeit durch die Gewindesteigung einer zweiten Spindel-Mutter— erbindung, die die rotative Bewegung der Meßwelle in eine translatorische des Linearmotors um¬ setzt, begrenzt ist. Wählt man ein Feingewinde, das eine hohe Positioniergenauigeit erlaubt, so ist die Kolbengeschwindig¬ keit entsprechend niedrig, wählt man eine größere Gewinde¬ steigung, die höhere Kolbengeschwindigkeiten ermöglicht, so wird die Positioniergenauigkeit eingeschränkt. Der rotierende Hubkolbenmotor benötigt dagegen eine solche Spindel-Mutter- Verbindung nicht, weil er die rotative Vorgabebewegung des Steuermotors wieder in eine rotative Ausgangsbewegung des Hubkolbenmotors kopiert. Dementsprechend kann er immer, auch bei größten Kolbengeschwindigkeiten, auf höchste Positionier¬ genauigkeit ausgelegt werden.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird ein Ausführungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerätes sowie ein Ausführungsbeispiel und ein Änwendungsbeispiel eines elektro¬ hydraulischen Verstärkers mit dem Durchflußmeßgerät nach der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerätes ,

Fig ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerätes innerhalb eines elektro-hydrau- lischen Verstärkers,

Fig ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durch¬ flußmeßgerätes innerhab eines elektro-hydraulischen Verstärkers im Zweikomponenten-Dosierbereich.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindunggemäßen Durchflußmeßgerätes mit einem Axialkolbenmotor 1, der sich in einem druckfesten Gehäuse 2 befindet. Um einen möglichst pul- sationsarmen Volumenstrom zu erhalten, sind mindestens neun Kolben 3 erforderlich, die in einer Zylindertrommel 4 umlau¬ fen. Die Kolben 3 stützen sich dabei auf einer im Gehäuse 2 angebrachten Schräge 5 ab. Die senkrecht zur Achse der Kolben 3 wirkenden Kräfte aller an einem Eingang 6 angeschlossenen Zylinderräume 7 erzeugen an der Zylindertrommel 4 ein Dreh¬ moment, das immer nur so groß wie das durch die hydromechani¬ schen Verluste verursachte Verlustdrehmoment ist. Die aus dem Verlustdrehmoment resultierende Verlustleistung wird in dem Hydraulikmotor 1 in Wärme umgesetzt. Folglich muß für eine einwandfreie Abführung der Wärme mit der Druckflüssigkeit ge¬ sorgt werden, was dadurch geschieht, daß der Ausgang 8 des Hydraulikmotors 1 durch den Triebwerksraum 9 hindurch nach außen geführt wird. An der Zylindertrommel 4 ist eine Meßwel¬ le 10 angeschlossen, die bei diesem Ausführungsbeispiel ins Freie führt und über eine Gleitringdichtung (ohne Abb.) zum Gehäuse 2 hin abgedichtet ist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung als Bestandteil eines elektrohydraulischen Vestärkers. Das in Fig. 1 dargestellte Durchflußmeßgerät ist hier dichtend mit einem Kopier-Steuerventil 11 verbunden, wobei die Meßwelle 10. als Spindelmutter 12 ausgebildet ist, die mit der Spindel 13

zusammenarbeitet. Die Spindel 13 ist da-bei fest mit dem Steu¬ erschieber 14 des Kopier-Steuerventils 11 sowie über eine axiale Ausgleichskupplung 15 mit einem Steuermotor 16 verbun¬ den. Wird durch den Steuermotor 16 eine vorgewählte Drehzahl, die einem bestimmten Volumenstrom entspricht, vorgegeben, so schraubt sich beim Start des Steuermotors 16 die Spindel 13 aus der Spindelmutter 12 heraus und bewirkt eine axiale Aus¬ lenkung des Steuerschiebers 14, der daraufhin den Eingang 6 zum Hydraulikmotor 1 öffnet. Der dadurch ausgelöste Volumen¬ strom treibt den Hydraulikmotor solange an, bis die Drehzahl des Hydraulikmotors 1 mit der Drehzahl des Steuermotors 16 übereinstimmt. Übersteigt die Drehzahl des Hydraulikmotors 1 die vorgewählte Drehzahl des Steuermotors 16, so schraubt sich der Steuerschieber 14 des Kopier—Steuerventils 11 wieder in die Mittelstellung und sperrt damit den Eingang 6 zu den Zylinderräumen 7 solange, bis der Steuermotor 16 und die Zy¬ lindertrommel 4 wieder mit gleicher Drehzahl rotieren. Der im Eingang 6 eintretende Volumenstrom kann also durch eine vor¬ gewählte Drehzahl des Steuermotors 16, die einem definierten Volumenstrom entspricht, in seiner Größe exakt gemessen und geregelt werden.

Fig. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerätes innerhalb eines elektrohydraulischen Ver¬ stärkers im Zweikomponenten-Dosierbereich, wobei der elekro- hydraulische Verstärker zum Messen und Regeln eines vorwähl¬ baren Volumenstromes zum hydraulischen Einzelantrieb für Fal¬ tenbalg-Dosierpumpen beider Zweikomponentendosierung von fließfähigen Reaktionskomponenten in eine Mischkammer dient. Da solche Faltenbalg-Dosierpumpen sehr große Hubvolumina (50 Liter und mehr) bei kleiner Baugröße und völliger Leckage¬ freiheit ermöglichen, bietet sich hier zum exakten Messen und Regeln des Volumenstromes der elektrohydraulische Verstärker mit dem erfindungsgemäßen Durchflußmeßgerät besonders an. Mittels einer im Steuerfrequenzgeπerator 17 integrierten Im¬ puls-Zähleinrichtung (ohne Abb.) ist der Volumendurchsatz des

Volumenstromes (= Dosiermenge der Reaktionskomponenten) vor dem Dosierhub digital mit höchster Genauigkeit einstellbar. Das gewünschte volumetrische Dosierverhältnis der beiden in jeweils einem Dosierzylinder 18, 19 befindlichen Reaktions¬ komponenten wird im Steuerfrequenzgenerator 17 durch zwei vorgewählte Steuerfrequenzen Fl und F2 digital festgelegt. Diese beiden Frequenzen werden über Verstärker (ohne Abb.) zwei Schrittmotoren 20, 21 zugeteilt, die diese über zwei Ko¬ pier-Steuerventile 22, 23 und zwei erfindungsgemäße Axialkol- benmotore 24, 25 schlupffrei in jeweils einen einzeln gemes¬ senen und geregelten Volumenstrom umsetzen. Die beiden elek¬ trohydraulischen Verstärker, bestehend aus den erfindungsge¬ mäßen Axialkolbenmotoren 24, 25, den Kopier-Steuerventilen 22, 23 und den Schrit motoren 20, 21 arbeiten ohne Regel¬ schwingungen und sind in ihrem Arbeitsbereich weitgehend ge¬ gendruckunabhängig. Nachdem der Dosierhub beendet ist, werden die beiden Schrittmotoren 20, 21 und die damit gekoppelten Axialkolbenmotoren 24, 25 gestoppt. Gleichzeitig schalten zwei 4/3-Wegeventile 26, 27 über ihre Nullstellung in ihre RücklaufStellung . Daraufhin führen die mit Vordruck beauf¬ schlagten Reaktionskomponenten, die sich jeweils in den bei¬ den Dosierzylindern 18, 19 unterhalb der jeweiligen Falten¬ bälge 28, 29 befinden, die Faltenbälge 28, 29 in ihre Aus¬ gangsposition zurück, wobei die Hydraulikflüssigkeit, die sich oberhalb der Faltenbälge 28, 29 befindet, über die bei¬ den 4/3-Wegeventile 26, 27 wieder in einen Tank 30 eines Hy¬ draulikaggregats 31 zurückfließt. Damit die Faltenbälge 28, 29 nicht über ihren zulässigen Hub hinausfahren, ist eine Hu¬ bendabschaltung erforderlich, die z.B. mit zwei Wegaufnehmern 32, 33 realisiert werden kann. Darüberhinaus dienen die bei¬ den Wegaufnehmer 32, 33 zur zusätzlichen Überwachung des Do¬ siersystems. Eine Auswerte-Elektronik 34 vergleicht ständig die von den beiden Wegaufnehmern 32, 33 gelieferten Meßwerte mit der vorgewählten Anzahl von Impulsen des Steuerfrequenz¬ generators 17 und schaltet bei Überschreiten eines definier¬ ten Differenzwertes die Anlage wegen Vorliegen eines techni¬ schen Defekts ab.