CH680307A5 - - Google Patents

Description

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CH 680 307 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines Leitungssystems für Fluid auf Leckstellen mit einem Hauptventil, das einen Hauptstrompfad für das Fluid verschliesst und durch einen durch ein Nebenventil verschliessbaren Ne-benstrompfad überbrückt ist.

Leitungssysteme für Fluide müssen auf Undichtigkeiten und Leckstellen hin überwacht werden. Dies gilt grundsätzlich für alle Leitungssysteme, unabhängig davon, ob sie zum Transport von Leitungswasser im Haus, Heizungsflüssigkeit in Heizungs- oder Fernwärmesystemen oder Gasen oder Kraftstoff in Verteilernetzen eingesetzt wer-den.

Insbesondere die Überwachung von Leitungswassernetzen in Gebäuden hat in den letzten Jahren an Bedeutung zugenommen. Am Beispiel einer Leitungswasserinstallation in einem Wohngebäude sei die Problemstellung erläutert.

Normalerweise liegt der Wasserverbrauch bei Entnahme von Wasser durch einen Verbraucher aus einem Wasserhahn etwa zwischen 50 und 1500 l/h. In Extremfällen, wie z.B. den Spülungskästen von WCs oder einer Waschmaschine auch bei 30 bis 2500 l/h. Leckstellen, die auf einen Rohrbruch oder das Platzen eines Zulaufschlauchs für eine Waschmaschine oder eine Geschirrspülmaschine zurückzuführen sind, liegen typischerweise im Bereich von 500 bis 2500 l/h, im Einzelfall höher, und können deswegen vom normalen Verbrauch nicht unterschieden werden. Ein solches «Grossleck» wird in der Regel über eine Zeitbegrenzung überwacht, d.h. unabhängig davon, ob ein Verbrauch stattfindet oder ein Grossleck vorliegt, wird die Wasserzufuhr nach einer bestimmten Entnahmezeit abgestellt, wenn der Volumenstrom in der gesamten Zeit einen vorbestimmten Wert überschritten hat.

Davon zu unterscheiden sind Störfälle, die im folgenden als «Kleinleck» bezeichnet werden. Der Wasserverlust liegt hier etwa im Bereich von 1 bis 25 l/h und kann einerseits von tropfenden Wasserhähnen, nachlaufenden WC-Kästen und anderseits von undichten Rohrverbindungen, beginnenden Ermüdungserscheinungen in Rohren aufgrund von Korrosion, Haarrissen in Rohren und Behältern oder ähnlichen Schäden im Leitungsnetz verursacht werden. Während die erste Fallgruppe zwar nicht direkt gefährlich ist, sondern nur die Kosten für Frisch- und Abwasser erhöht und die Trinkwas-ser-Resourcen und damit die Umwelt belastet, können die Kleinlecks der zweiten Art grosse Schäden verursachen. Zwar scheint die ausströmende Menge von 1 bis 25 l/h sehr gering, über einen längeren Zeitraum kann aber eine starke Durchfeuchtung von Wänden oder anderen Gebäudeteilen erfolgen, die nicht mehr reparabel ist. Diese resultierenden Schäden werden oft zu spät bemerkt, weil die Befeuchtung im Innern einer Wand anfängt und erst sichtbar wird, wenn die gesamte Wand durchfeuchtet ist. Bei einer rechtzeitigen Warnung Iässt sich dagegen der Schaden begrenzen, da zur Reparatur der betreffenden Wasserleitung in der Regel nur eine kleine Öffnung in die Wand gebrochen werden muss. Bei Leitungssystemen, die kein Trinkwasser führen, z.B. bei Fernwärme-Heizungsanlagen, kann es sogar ausreichen, eine Dichtungsmasse in das Wasser einzuschwemmen, die die schadhafte Stelle wieder abdichtet.

In einer bekannten Anordnung (GB-PS 2 034 392) wird das Hauptventil nur für einen begrenzten Zeitraum geöffnet, um Wasser aus der Quelle, z.B. dem Stadtleitungswassernetz, nach-fliessen zu lassen, wenn ein Verbraucher Wasser aus dem Leitungssystem entnimmt. Nach dem Schliessen des Hauptventils bleibt das Nebenventil noch eine vorbestimmte Zeit geöffnet, um z.B. zu ermöglichen, dass der Spülungskasten eines WC vollständig gefüllt wird. Mit dieser Anordnung können aber lediglich Grosslecks ausgeschaltet werden. Kleinlecks bleiben unbemerkt. Wenn der Druck aufgrund eines Kleinlecks auf der Leitungssystemseite des Hauptventils weit genug abgefallen ist, öffnet das Hauptventil kurzzeitig, um Wasser nachströmen zu lassen.

DE-OS 2 158 901 zeigt eine Einrichtung zur Überprüfung von Anlagen mit gasförmigen oder flüssigen Medien auf Dichtheit. Bei dieser Einrichtung ist ein nicht verschliessbarer Nebenstromkanal vorgesehen, in dem sich ein Volumenstrommesser in Form eines Flügelrads oder einer schwenkbaren Klappe befindet. Nach Absperren eines Hauptventils soll damit überwacht werden, ob hinter dem Hauptventil Gas aus dem Leitungssystem entweicht. Bei Überschreiten eines bestimmten Volumenstromes kann das Hauptventil nicht mehr öffnen, das Gas kann jedoch durch den Nebenstrompfad weiterströmen. Darüber hinaus sind Flügelradmesser für sehr kleine Durchströmmengen ungeeignet, weil sie eine relativ grosse Reibung haben. Ausserdem verschleis-sen die Lager sehr schnell, insbesondere, wenn, wie in DE-OS 2158 901, auch eine grosse Volumenstrommenge durch den Nebenstromkanal fliesst, wenn das Hauptventil öffnet. Der insgesamt fliessende Volumenstrom wird sich nämlich im Verhältnis der Strömungswiderstände von Hauptstromkanal und Nebenstromkanal aufteilen. Damit wird nach einer kürzeren oder langen Betriebsdauer der Wert der kleinsten zu messenden Volumenstromgrösse angehoben.

In einem bekannten Zentralheizungssystem (WO 87/04520) sind jeweils im Hinfluss und im Rückfluss zwei Flügelrad-Volumenstrommesser angeordnet. Das Ausgangsignal der beiden Volumenstrommesser wird verglichen, und bei Auftreten einer Differenz zwischen den beiden Volumenströmen wird ein Leck vermutet. Der Kreislauf wird abgesperrt. Da diese Volumenstrommesser aber für den Hauptstrom, also für grosse Mengen durchmessender Flüssigkeit, vorgesehen sind, können sie kleine Leckmengen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erfassen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen eines Leitungssystems für Fluid auf Leckstellen anzugeben, die auch Kleinlecks zuverlässig erfassen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im

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Nebenstrompfad ein Volumenstrommesser angeordnet ist und der Öffnungsgrad des Hauptventils eine Funktion des Volumenstroms im Nebenstrompfad ist, wobei das Hauptventil erst öffnet, wenn der Volumenstrom im Nebenstrompfad einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Erfindungsgemäss fliessen kleine Mengen, also ein geringer Volumenstrom, ausschliesslich durch den Nebenstrompfad und können von dem dort angeordneten Volumenstrommesser in ihrer Grösse zuverlässig erfasst werden. Erst wenn der Volumenstrom grösser wird und einen vorbestimmten Wert, z.B. die obere Grenze des Messbereichs des Volumenstrommessers, übersteigt, öffnet das Hauptventil. Bei einem Volumenstrom ausserhalb des Messbereichs des Volumenstrommessers kann es sich nur um einen Verbrauch oder um ein Grossleck handeln, nicht jedoch um ein Kleinleck. Eine exakte Bestimmung des durchfliessenden Volumenstroms ist nicht mehr nötig. Der Nebenstompfad hat also bei der vorliegenden Erfindung zwei Funktionen. Zum einen ermöglicht er eine präzise Messung von kleinen Mengen, die im Leitungssystem verbraucht werden, zum anderen steuert er das Hauptventil, gibt also den Hauptstrompfad frei, wenn seine Kapazität überschritten wird. Damit ist für alle vorkommenden Betriebszustände eine optimale Lösung geschaffen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hauptventil ein hilfskraftgesteuertes Ventil, das vom Druck in einem Druckabschnitt des Neben-strompfads gesteuert ist, der vom Hauptstrompfad durch einen als Drossel wirkenden Drosselabschnitt getrennt ist. Bei einem grossen Volumenstrom durch den Nebenstrompfad entsteht ein entsprechend grosser Druckabfall an dem Drosselabschnitt, so dass der absolute Druck im Druckabschnitt sinkt. Das Hauptventil kann dadurch geöffnet werden. Somit ist keine gesonderte Steuerung für das Hauptventil erforderlich, um den Nebenstrompfad vor zu grossen Volumenströmen zu bewahren. Bei richtiger Dimensionierung öffnet das Hauptventil automatisch, wenn der Volumenstrom durch den Nebenstrompfad zu grosse Werte annimmt und z.B. den Messbereich des Volumenstrommessers verlässt.

Mit Vorteil ist im Nebenstrompfad vor dem Druckabschnitt ein zum Druckabschnitt hin öffnendes Rückschlagventil angeordnet. Dieses Ventil erlaubt den Fluss von der Einspeisestelle in das zu überwachende Leitungssystem, nicht jedoch in die andere Richtung. Ein Rückschlagventil ist vielfach vorgeschrieben, um zu verhindern, dass z.B. Wasser aus einem Haus wieder zum Wasserwerk zu-rückfliesst. Durch die Anordnung im Nebenstrompfad werden zwei Vorteile erreicht. Zum einen wird das Rückschlagventil schon bei geringen Fluidströ-men geöffnet und damit gereinigt. Ein Festsitzen oder Verklemmen wird damit weitgehend verhindert. Zum anderen kann das Rückschlagventil wesentlich kleiner dimensioniert werden, da die Rückfluss-sperrfunktion vom Hauptventil übernommen wird, das schliesst, wenn der Druck im zu überwachenden Leitungssystem, und damit im Druckabschnitt, grösser wird als der Wasserwerksdruck.

Darüberhinaus ist es von Vorteil, dass das Rückschlagventil den Drosselabschnitt bildet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Hauptventil als Membranventil ausgebildet, wobei auf der Seite der Membran, die zusammen mit einem Ventilsitz den Hauptstrompfad schliesst, ein Bereich vorgesehen ist, auf den der Zuleitungsdruck wirkt, und auf der entgegengesetzten Seite der Druck in dem Druckabschnitt des Nebenstromka-nals wirkt. Dadurch wird der Druckabfall über den Drosselabschnitt auf einfache Art ausgenutzt, um das Hauptventil aufzusteuern.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Nebenventil im Nebenstrompfad in Fliessrichtung hinter dem Druckabschnitt angeordnet. Mit Schliessen des Nebenventils, d.h. mit Abschalten des Nebenstroms durch den Nebenstrompfad, wird automatisch auch das Hauptventil in Schliessstellung versetzt. Dann nämlich steigt der Druck im Druckabschnitt so weit an, dass das Hauptventil geschlossen wird.

Mit besonderem Vorteil herrscht im Messpfad des Volumenstrommessers für einen Volumenstrom innerhalb eines vorbestimmten Messbereichs eine laminare Strömung, wobei am Messpfad mindestens eine Wärmequelle und eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur des Fluids vor der Erwärmung durch die Wärmequelle vorgesehen sind und weiterhin eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die aus der Temperatur und der von der Wärmequelle abgegebenen Wärmemenge den Volumenstrom ermittelt. Ein Volumenstrommesser dieser Art kommt ohne bewegte Teile aus. Die abgegebene Wärmemenge ist ein Mass für den Volumenstrom. Je mehr Fluid pro Zeiteinheit durch den Messpfad fliesst, desto mehr Wärme wird von der Wärmequelle an das Fluid abgegeben. Aber auch die Temperatur des Fluids spielt eine entscheidende Rolle beim Wärmeübergang. Ein kälteres Fluid nimmt mehr Wärme auf als ein wärmeres. Aus diesem Grund erfasst der Volumenstrommeser auch die Temperaturerhöhung des Fluids durch die Wärmequelle. Die Temperatur und die abgegebene Wärmemenge reichen zur Bestimmung des Volumenstroms aus. Ein Volumenstrommesser dieser Art lässt sich auch unabhängig von der Lecküberwachungsvorrichtung verwenden.

Vorteilhafterweise weist dabei die Einrichtung zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwei Temperaturfühler auf, die durch Dünnschicht-Metall-filmwiderstände gebildet sind, an denen eine konstante Spannung anliegt, wobei der zweite in Strömungsrichtung des Fluids gelegene Dünnschicht-Metallfilmwiderstand gleichzeitig als Wärmequelle dient, und der in Strömungsrichtung des Fluids gelegene erste Widerstand dazu dient, die Temperatur des Fluids zu ermitteln. Bei fast allen ohmschen Widerständen ändert sich der Widerstandswert mit der Temperatur. Da der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstandswert für einzelne Widerstandsmaterialien bekannt ist, lässt sich bei einer angelegten konstanten Spannung ein der Temperatur des Dünnschicht-Metallfilmwiderstands proportionaler Strom ermitteln. Damit ist auf einfache Art und Weise ein Temperaturfühler realisiert.

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Durch einfaches Messen des Stromes bei konstanter Spannung ergibt sich aber auch ein Wert für die dem Widerstand zugeführte Leistung. Die dem Widerstand zugeführte Leistung erwärmt den Metallfilm, bis ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten und der abgeführten Leistung entsteht. Der abgegebene Wärmestrom wird vom Metallfilm über die Filmunterlage, die Rohrwandung und die Grenzschicht des strömenden Mediums dem Fiuidstrom zugeführt. Während der Wärmeleitungswiderstand durch die Filmunterlage und die Rohrwandung konstant ist und deswegen bei gegebenem Wärmestrom einen konstanten Temperaturabfall hervorruft, hängt die Wärmeleitung in der Grenzschicht von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und von seiner Temperatur ab. Je grösser die Geschwindigkeit, desto kleiner ist der Temperaturabfall von der Rohrinnenseite zum Fiuidstrom. Diese Temperaturdifferenz beträgt etwa 2 bis 6 K, je nach Volumenstrom. Wenn die Fluidtemperatur bekannt ist, kann man aus der zugeführten Leistung und der Temperatur des Metallfilm-Widerstandes die Strömungsgeschwindigkeit und daraus den Volumenstrom berechnen. Die Fluidtemperatur wird durch den in Strömungsrichtung als ersten gelegenen Metallfilm-Widerstand ermittelt. Dieser erzeugt eine so geringe Wärmeleistung, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Widerstand und dem Fluid ohne Bedeutung ist.

Bevorzugterweise ist der Messpfad durch einen Rohrbogen gebildet, mit dessen Aussenseite die Temperaturfühler mechanisch und thermisch verbunden und mit einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. In einem Rohrbogen lässt sich bei richtiger Dimensionierung innerhalb gewisser Grenzen leicht eine laminare Strömung erzeugen. Da die Temperaturfühler auf der Aussenseite des Rohrbogens angeordnet sind, sind sie weniger korrosionsgefährdet. Die Temperaturbeziehung zwischen Fluid und Temperaturfühlern lässt sich über die bekannten Wärmeübergangseigenschaften des Rohrbogens leicht ermitteln.

Mit Vorteil ist der elektrische Widerstandswert des ersten Temperaturfühlers etwa 10 mal so gross wie der elektrische Widerstandswert des zweiten Temperaturfühlers. Beiden Temperaturfühlern kann also die gleiche Spannung zugeführt werden, wobei der zweite Temperaturfühler etwa eine 10 mal so grosse Leistung abgibt. Aufgrund der Temperaturerhöhung der Widerstände nach Zuführen der Leistung wird sich der Widerstandswert und damit die abgegebene Leistung etwas ändern. Die Leistungsabgabe muss jedoch nicht konstant sein, solange ein Unterschied bei der Leistungsabgabe zwischen beiden Temperaturfühlern besteht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Auswerteeinrichtung eine Widerstandsmessschaltung, die die tatsächlichen Widerstandswerte der Temperaturfühler misst, und einen über einen A/D-Wandler damit verbundenen Mikroprozessor auf, der den Volumenstrom berechnet.

Um nicht nur den Volumenstrom, sondern auch die aus dem Leck ausgeflossene Menge messen zu können, ist eine Steuervorrichtung vorgesehen,

die mit dem Volumenstrommesser und dem Nebenventil verbunden ist und einen Integrator aufweist, der zumindest abschnittsweise den durch den Volumenstrommesser fliessenden Volumenstrom aufintegriert. Damit steht eine zweite Grösse, nämlich die ausgeflossene Fluidmenge, zur Verfügung, um ein Leck beurteilen zu können.

Mit Vorteil weist die Steuervorrichtung eine Rücksetzschaltung auf, die den Integrator auf oder um einen vorbestimmten Wert zurücksetzt, wenn der Volumenstrom um einen vorbestimmten Wert abnimmt. Es kann nämlich der Fall vorkommen, dass ein Benutzer vergessen hat, einen Wasserhahn richtig zu schliessen, so dass der Wasserhahn tropft. Die Steuervorrichtung beurteilt diesen tropfenden Wasserhahn ebenfalls als Leckstelle und summiert die durch den Wasserhahn ausfliessende Flüssigkeitsmenge auf, als ob sie durch ein defektes Rohr in die Wand sickern würde. Einige Zeit später bemerkt der Benutzer seinen Fehler und schliesst den Wasserhahn. Das Leck verschwindet nun. Diese Information erhält auch die Steuervorrichtung, weil sie fortwährend die Grösse des Volumenstroms auswertet. Wenn sich also der Volumenstrom verringert, ist es klar, dass das vermeintliche Leck kein richtiges Leck war, so dass die Messung der echten Leckvolumenmenge erneut beginnen muss.

Mit Vorteil führt die Steuervorrichtung dem Integrator den Ausgangswert des Volumenstrommessers nur dann zu, wenn dieser einen vorbestimmten ersten Volumenstromwert überschreitet. Kleine Volumenstrommengen unterhalb von 1 l/h sollen nämlich nicht erfasst werden. Eine solche Leckmenge wird als unschädlich betrachtet und soll deswegen die Messungen nicht belasten.

In einer bevorzugten Ausführungsform betätigt die Steuervorrichtung eine Anzeige, wenn der Integrator einen vorbestimmten ersten Volumenwert ermittelt hat. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Integrator feststellt, dass insgesamt 60 I durch ein Leck aus dem Leitungssystem verschwunden sind. Der Benutzer ist dann gewarnt und kann sämtliche Wasserhähne daraufhin untersuchen, ob sie tropfen. Oder er kann, falls er keinen tropfenden Wasserhahn findet, das Leitungssystem auf kleine Leckstellen untersuchen und diese reparieren.

Dabei ist es von Vorteil, dass die Steuervorrichtung den Integrator nach Erreichen des ersten Volumenwerts auf Null zurücksetzt und eine erneute Integration einleitet, wenn der Volumenstrom einen zweiten vorbestimmten Volumenstromwert, der grösser als der erste ist, nicht überschreitet. Solange nämlich der Volumenstromwert grösser als 1 l/h, aber kleiner als beispielsweise 3 l/h ist, besteht keine akute Gefahr. Es ist nicht notwendig, das Hauptventil bereits zu verriegeln. Es ist aber interessant, den Volumenstrom weiter fortwährend zu überwachen. Auch sollte das Integral weiter ausgewertet werden, d.h. die Menge erfasst werden, die durch ein Leck aus dem System herausgeflossen ist. Man kann natürlich die Anzahl der Wiederholungen der Integrationen begrenzen, so dass beispielsweise nach dem dritten, vierten oder fünften Errei-

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chen des vorbestimmten ersten Volumenwerts das Nebenventil und damit das Hauptventil geschlossen wird, um ein weiteres Aussickeren von Fluid aus dem kleinen Leck zu verhindern.

Weiterhin ist es interessant, dass die Steuervorrichtung das Nebenventil in geschlossener Stellung verriegelt, wenn der Integrator einen vorbestimmten zweiten Volumenwert ermittelt hat. Wenn der Volumenstrom grösser ist als ein vorbestimmter zweiter Volumenstromwert, wird der Integrator bei Erreichen des ersten Volumenwerts nämlich nicht auf Null zurückgesetzt, sondern ermittelt fortlaufend weiter, welche Mengen durch das Leck aus dem Leitungssystem herausströmen. Natürlich kann bei Erreichen des ersten Volumenwerts eine Anzeige* oder Alarmeinrichtung betätigt werden. Damit ist sichergestellt, dass bei einem grösseren Leckvolumenstrom das System zuverlässig abschaltet, um einen dauerhaften Schaden durch das ausströmende Fluid zu verhindern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung schliesst die Steuervorrichtung eine vorbestimmte Zeit, nachdem der Volumenstrom einen vorbestimmten dritten Volumenwert, der grösser als der zweite Volumenstromwert ist, erreicht hat, das Nebenventil. Damit wird automatisch auch das Hauptventi! geschlossen. Der dritte Volumenstromwert ist die Untergrenze für einen Volumenstrom, der bei Verbrauch oder bei einem Grossleck fliesst. Da die Vorrichtung zwischen Verbrauch und Grossleck nicht unterscheiden kann, wird einfach die maximale Zeit, in der Volumen durch das Hauptventil strömen kann, begrenzt. Diese Zeit kann so bemessen sein, dass beispielsweise der Benutzer eine Badewanne füllen oder ausgiebig duschen kann. Sollte die maximale Zapfzeit ablaufen, während der Benutzer beispielsweise noch Wasser benötigt, kann der Benutzer, wenn das Schliessen des Hauptventils rechtzeitig angekündigt wird, durch ein rechtzeitiges Schliessen seines Zapfventils ein Signal an die Steuervorrichtung zurückgeben, woraufhin diese das Hauptventil wieder öffnet oder offen hält. Ein Grossleck wird hingegen nicht so kurzzeitig zu schliessen sein. Somit kann aus einem Grossleck nur über eine bestimmte Zeitspanne Wasser flies-sen, was hilft, den Schaden klein zu halten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Leitungswassersystems,

Fig. 2 ein Hauptventil mit parallelgeschaltetem Nebenstrompfad und

Fig. 3 einen Volumenstrommesser.

Aus einer Versorgungsleitung 1, beispielsweise einem Leitungswassernetz eines Wasserwerks, wird Leitungswasser über eine Einspeisestelle 2, z.B. eine Hauseinführung, in ein Wohngebäude eingespeist. Dort fliesst es über einen Zähler 3 zu einem Absperrhahn oder Hauptventil 4, der über ein Ventilbetätigungsglied 7 geöffnet oder geschlossen werden kann. Am Hauptventil 4 ist ein Volumenstrommesser angeordnet. Sowohl der Volumenstrommesser 5 als auch das Ventilbetätigungsglied 7 sind mit einer Steuervorrichtung 6 verbunden. Hinter dem Absperrhahn zweigt eine Kaltwasserleitung 8 ab, die zu einer Zapfstelle 13 führt. Eine andere Leitung führt über ein Rückflussverhinde-rungs-Ventil 9, das einen Wasserfluss nur vom Hauptventil 4 weg ermöglicht, in einen Warmwasserbehälter oder -bereiter 10, wo das Wasser durch eine Heizung 11 beheizt wird. Eine Warmwasserleitung 12 verbindet den Warmwasserbehälter 10 mit der Zapfstelle 13.

Das Hauptventil 4 hat ein Gehäuse 17, das einen Zufluss 18 und einen Abfluss 19 aufweist. Zufluss 18 und Abfluss 19 sind durch ein Membranventil getrennt, das eine Membran 23 aufweist, die mit einem Verschlusselement 21 in Verbindung steht, das zusammen mit einem Ventilsitz 20 den Hauptstrompfad zwischen Zufluss 18 und Abfluss 19 verschliesst oder freigibt. Die Membran 23 wird mit Hilfe einer Feder 24 gegen den Ventilsitz 20 gedrückt.

Vom Zufluss 18 zweigt ein Nebenstrompfad 25 ab, der über einen Rückflussverhinderer, z.B. ein Rückschlagventil, 26 zu dem Volumenstrommesser 5 führt. Das Rückschlagventil 26 dient dazu, Druckspitzen im zu überwachenden Leitungssystem nicht auf das speisende Netz durchschlagen zu lassen und vor allem zu verhindern, das Wasser aus dem zu überwachenden Leitungssystem wieder zum Wasserwerk zurückfliesst. Hinter dem Volumenstrommesser führt der Nebenstrompfad 25 in einen Druckabschnitt 27 und von dort über ein Nebenventil, das ein Verschlussglied 28 aufweist, das gegen einen Ventilsitz 29 wirkt, zu einem Nebenkanal-auslass 30, der in den Abfluss 19 des Hauptventils 4 mündet.

Der Nebenstrompfad 25 hat von seinem Anfang am Zufluss 18 bis zu der Stelle, an der er in den Druckabschnitt 27 mündet, die Wirkung einer Drossel. Der grösste Teil der Drosselwirkung wird dabei vom Rückschlagventil 26 erzeugt. Damit wird ermöglicht, dass das Wasser im restlichen Abschnitt verwirbelungsfrei und somit linear fliesst. Das Rückschlagventil bildet einen Drosselabschnitt. Es sei nun angenommen, dass die Ventilbetätigung 7 des Nebenventils das Verschlussglied 28 vom Ventilsitz 29 abgehoben hat. Die Feder 24 drückt die Membran 23 nach unten, so dass das Verschlusselement 21 gegen den Ventilsitz 20 anliegt. Der Hauptstrompfad ist damit versperrt. Wenn aus dem Leitungssystem, d.h. der Kaltwasserleitung 8, der Warmwasserleitung 12 oder dem Warmwasserbehälter 10 Wasser entweicht, wird dieses Wasser durch den Nebenstrompfad 25 vom Zufluss 18 nachgeführt. Diese Wassermenge wird durch den Volumenstrommesser 5 erfasst. Übersteigt jedoch die benötigte Wassermenge einen vorbestimmten Wert, d.h. nimmt der durch den Nebenstrompfad 25 fliessende Volumenstrom zu, steigt auch der Druckabfall im Drosselabschnitt, d.h. der absolute Druck im Druckabschnitt 27 sinkt. Auf der anderen Seite der Membran 23 liegt aber zumindest auf einem kreisringförmigen Abschnitt, der einen Ringkanal 22 abdeckt, der volle Zuflussdruck an. Wenn der Zuflussdruck, der auf diesen Teil der Membran 23 wirkt, eine grosse Kraft erzeugt als der Druck im

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Druckabschnitt 27 zusammen mit der Kraft der Feder 24, hebt das Verschlusselement 21 vom Ventilsitz 20 ab und öffnet somit den Hauptpfad vom Zufluss 18 zum Abfluss 19. Solange über den Drosselabschnitt ein ausreichender Druckabfall erzeugt 5 wird, d.h. solange ein ausreichender Volumenstrom durch den Nebenstrompfad 25 fliesst, bleibt das Hauptventil 4 offen. Sinnvollerweise ist die Drosselwirkung des Drosselabschnitts so eingestellt,

dass das Hauptventil dann öffnet, wenn der durch 10 den Volumenstrommesser fliessende Volumenstrom den Messbereich überschreitet. Der Messbereich ist dabei so vorgesehen, dass er lediglich Kleinlecks erfasst, d.h. Lecks, die einen Flüssigkeitsaustritt von unter 25 l/h bedeuten. Ein Volumen- 15 fluss oberhalb dieser Grenze wird als Verbrauch oder als Grossleck betrachtet, wobei in diesem Fall eine genaue Kenntnis der Grösse der durchflies-senden Flüssigkeit nicht nötig ist.

Wenn Wasser aus dem zu überwachenden Lei- 20 tungssystem in das speisende Netz zurückfliessen will, sei es aufgrund eines Druckabfalls im speisenden Netz oder aufgrund eines Druckanstiegs im zu überwachenden System, fliesst ein Teil des Wassers durch den Nebenstrompfad, wobei das Rück- 25 flussverhinderungs- oder Rückschlagventil 26 schliesst. Der Druck im Druckabschnitt 27 wird dann grösser als der Druck im Zufluss 18 und die Membran 23 schliesst das Hauptventil.

Der gesamte Voiumenstrommesser 5 ist durch ei- 30 ne Kappe 40 vor äusseren Einwirkungen geschützt. Der Messpfad 31 des Volumenstrommessers 5 steht über einen Anschiuss 32 mit dem zum Zufluss 18 führenden Teil des Nebenstrompfads 25 und über einen Anschiuss 33 mit dem Druck- 35 abschnitt 27 des Nebenstrompfads in Verbindung. Der Messpfad 31 ist so ausgelegt, dass in ihm für einen Volumenstrom innerhalb des Messbereichs des Volumenstrommessers eine laminare Strömung herrscht. An dem Messpfad 31 sind zwei Dünn- 40 schicht-Metallfilmwiderstände 34 und 35 angebracht, die über Kabel 36, 37, die zu einem Kabelbaum 43 zusammengefasst werden, mit der Steuervorrichtung 6 verbunden. Der Messpfad 31 ist durch eine Halterung 39 mit einer Anschlussschie- 45 ne 41 verbunden, die auch die von den Widerständen 34, 35 wegführenden Leitungen 36, 37 aufnimmt. An jeden der beiden Dünnschicht-Metallfilmwiderstände wird eine konstante Spannung angelegt, die für die beiden Widerstände gleich sein 50 kann. Die Widerstandswerte unterscheiden sich etwa um den Faktor 10, wobei der grössere Widerstandswert in Strömungsrichtung zuerst liegt.

Die jeweilige Spannung treibt einen bestimmten Strom durch den jeweiligen Widerstand. Da der Wi- 55 derstandswert temperaturabhängig ist, lässt sich aus dem Stromwert eine Aussage über die Temperatur des Dünnschicht-Metallfilmwiderstandes 34 bzw. 35 gewinnen. Gleichzeitig lässt sich aus der Spannung und dem fliessenden Strom eine Aussage 60 über die den Widerständen zugeführte elektrische Leistung gewinnen. Aufgrund der laminaren Strömung im Messpfad 31 kann man davon ausgehen,

dass der Wärmeübergang von den Widerständen auf das Fluid sich proportional zur Grösse des Vo- 65

lumenstroms verhält. Je grösser der Volumenstrom ist, desto mehr Wärme wird abtransportiert. Natürlich hängt die abtransportierte Wärmemenge auch von der Temperatur des Fluids ab.

Dem in Strömungsrichtung 38 des Fluids ersten Dünnschicht-Metallfilmwiderstand 34 wird nur eine relativ geringe elektrische Leistung von z.B. 10 mW zugeführt, so dass die Metallfilmtemperatur nur ganz unwesentlich höher ist als die Temperatur des Fluids und die Fluidtemperatur deswegen nicht nennenswert vergrössert wird. In dem anderen Widerstand 35 wird dagegen eine grössere elektrische Leistung verbraucht, z.B. 100 mW, so dass ein wesentlich grösserer Wärmestrom erzeugt wird. Die Metallfilmtemperatur ist damit sehr viel höher als die Fluidtemperatur. Bei einer bestimmten Temperatur wird die abgeführte Wärmemenge gleich der zugeführten elektrischen Leistung. Aus der Temperaturdifferenz AT zwischen den beiden Metallfilmwiderständen 34, 35, dem zufliessenden Wärmestrom A und dem Wärmeübergangswiderstand B zwischen den Metallfilmwiderständen 34, 35 und dem im Messpfad 31 fliessenden Fluid lässt sich ein brauchbares Mass für den Volumenstrom V gewinnen:

V = c • A / (AT - B)2

wobei c eine Proportionalitätskonstante ist.

Die Auswerteeinrichtung 6 weist in nicht dargestellter Weise eine Widerstandsmessschaltung für jeden Widerstand und einen handelsüblichen A/D-Wandler auf, der die ermittelten Widerstandswerte digitalisiert und einem Mikroprozessor zuführt, der die Temperaturdifferenz ermittelt und diese gemäss obiger Formel weiterverarbeitet, um den Volumenstrom zu berechnen.

Die durch den Volumenstrommesser 5 ermittelten Volumenstromwerte werden der Steuervorrichtung 6 zugeführt. Die Steuervorrichtung 6 ermittelt mit Hilfe eines Komparators 46, ob der Volumenstrom einen vorbestimmten ersten Wert überschreitet. Dieser erste Wert ist beispielsweise 1 l/h. Bei einem Verlust von weniger als 1 l/h wird das Leitungssystem für dicht erklärt. Steigt der Volumenstrom jedoch über ein 1 l/h an, so wird der gemessene Wert einem Integrator 14 zugeführt, der den Wert fortlaufend aufintegriert. Solange der Volumenstrom kleiner als ein bestimmter zweiter Wert, z.B. 3 l/h, ist, betätigt der Integrator 14 eine Anzeige 16, wenn eine bestimmte Leckmenge, z.B. 60 I, aus dem System herausgeflossen ist. Wenn der Volumenstrom unterhalb des zweiten Wertes liegt, setzt eine Rücksetzeinrichtung 15 den Integrator 14 wieder auf Null zurück, und die Integration beginnt erneut. Natürlich kann eine Begrenzung vorgesehen sein, wie oft der Integrator von Null bis auf den vorbestimmten ersten Leckmengenwert integrieren kann, ohne dass das System vollständig abgesperrt wird. Ist jedoch der Volumenstrom grösser als der vorbestimmte zweite Wert, wird der Integrator bei Erreichen des ersten Volumenwerts nicht mehr auf Null zurückgesetzt. Er betätigt lediglich die Anzeige 16. Ermittelt der Integrator 14 dann, dass ein zweiter Volumenwert erreicht ist, sperrt er über das Betäti6

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gungselement 7 das Nebenventil. Dadurch entsteht im Druckabschnitt 27 ein dem Zuflussdruck entsprechender Druck, der die Membran 23 nach unten bewegt, so dass sich das Schliesselement 21 gegen den Ventilsitz 20 drückt.

Überschreitet der Volumenstrom einen vorbestimmten dritten Wert, öffnet automatisch das Hauptventil 4. Die Messwerte des Volumenstrommessers 5 sind nun bedeutungslos. In der Steuervorrichtung ist ein nicht näher dargestelltes Zeitglied vorgesehen, das das Hauptventil nun über eine bestimmte Zeit offenhält. Ist die Zeit abgelaufen, ohne dass sich das Hauptventil geschlossen hat, so schliesst die Steuervorrichtung 6 über das Ventilbetätigungselement 7 das Nebenventil, wodurch sich automatisch auch das Hauptventil schliesst. Damit soll verhindert werden, dass bei einem Grossleck eine zu grosse Flüssigkeitsmenge aus dem Leitungssystem entweicht. Wird der grosse Volumenstrom nicht durch ein Grossleck verursacht, sondern beispielsweise durch einen Verbraucher, der sein Auto waschen oder den Garten bewässern will, so würde das Hauptventil ebenfalls geschlossen werden.

Dies wird vorher aber rechtzeitig angezeigt. Der Benutzer kann dann rechtzeitig der Steuervorrichtung 6 durch ein kurzes Schliessen der Zapfstelle 13 signalisieren, dass kein Grossleck, sondern ein Verbrauch vorliegt. In diesem Fall gibt die Steuervorrichtung 6 an das Ventilbetätigungselement 7 den Befehl, das Nebenventil und damit das Hauptventil 4 wieder zu öffnen oder offen zu halten.

Nun kann es vorkommen, dass das Kleinleck durch einen tropfenden Wasserhahn verursacht ist. Der Integrator 14 integriert den austretenden Leckvolumenstrom auf. Nach einer gewissen Zeit bemerkt der Benutzer den tropfenden Wasserhahn und dreht ihn richtig zu. Die Auswerterichtung 6 registriert, dass der Volumenstrom abgenommen hat, so dass offensichtlich das bis dahin vorhandene Leck kein echtes Leck im Sinne der Lecküberwachung gewesen sein kann. Also setzt sie den Integrator 14 auf Null zurück und startet erneut die Überwachung.

Die Anzeigeeinrichtung 16 kann auch betätigt werden, wenn der Leckvolumenstrom einen zu grossen Wert annimmt, unabhängig davon, wieviel Flüssigkeit bereits aus dem System ausgetreten ist.

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Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Überwachen eines Leitungssystems für Fluid auf Leckstellen, mit einem Hauptventil, das einen Hauptstrompfad für das Fluid ver-schliesst und durch einen durch ein Nebenventil verschliessbaren Nebenstrompfad überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenstrompfad (25) ein Volumenstrommesser (5) angeordnet ist und der Öffnungsgrad des Hauptventils (4) eine Funktion des Volumenstroms im Nebenstrompfad (25) ist, wobei das Hauptventil (4) erst öffnet, wenn der Volumenstrom im Nebenstrompfad einen vorbestimmten Wert überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (4) ein hilfskraftgesteuertes Ventil ist, das vom Druck in einem Druckabschnitt (27) des Nebenstrompfades (25) gesteuert ist, der vom Hauptstrompfad (18, 19) durch einen Drosselabschnitt (26) getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenstrompfad (25) vor dem Druckabschnitt (27) ein in Richtung zum Druckabschnitt hin öffnendes Rückschlagventil (26) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (26) den Drosselabschnitt bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (4) als Membranventil ausgebildet ist, wobei auf der einen Seite der Membran (23) die zusammen mit einem Ventilsitz (20) den Hauptstrompfad (18, 19) ver-schliesst, ein Bereich vorgesehen ist, auf den der Zuleitungsdruck wirkt, und auf der entgegengesetzten Seite der Druck in dem Druckabschnitt (27) des Nebenstrompfads (25) wirkt,

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis

5, dadurch gekennzeichnet, dass das Nebenventil (28, 29) im Nebenstrompfad (25) in Fliessrichtung hinter dem Druckabschnitt (27) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Messpfad (31) des Volumenstrommessers (5) für einen Volumenstrom innerhalb eines vorbestimmten Messbereichs eine laminare Strömung herrscht, wobei am Messpfad mindestens eine Wärmequelle (34, 35) und eine Einrichtung (34, 35) zur Erfassung der Temperatur des Fluids vor der Erwärmung durch die Wärmequelle vorgesehen sind und weiterhin eine Auswerteeinrichtung (6) vorgesehen ist, die aus dieser Temperatur und der von der Wärmequelle (34, 35) abgegebenen Wärmemenge den Volumenstrom ermittelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwei Temperaturfühler (34, 35) aufweist, die durch Dünnschicht-Metallfilmwiderstände gebildet sind, an denen eine konstante Spannung anliegt, wobei der zweite in Strömungsrichtung des Fluids gelegene Dünnschicht-Metallfilmwiderstand (35) gleichzeitig als Wärmequelle dient und der in Strömungsrichtung des Fluids gelegene erste Widerstand (34) dazu dient die Temperatur des Fluids zu ermitteln.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad durch einen Rohrbogen (31) gebildet ist, mit dessen Aussenseite die Temperaturfühler (34, 35) mechanisch und thermisch verbunden und mit einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstandswert des ersten Temperaturfühlers (34) etwa 10 mal so gross ist wie der elektrische Widerstandswert des zweiten Temperaturfühlers (35).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) eine Widerstandsmessschaltung, die die tatsächlichen Widerstandswerte der Temperaturfühler (34, 35) misst, und einen über einen A/D-

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Wandler damit verbundenen Mikroprozessor aufweist, der den Volumenstrom berechnet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung (6) vorgesehen ist, die mit dem Volumenstrommesser (5) und einem Betätigungselement (7) für das Nebenventil (28, 29) verbunden ist und einen Integrator (14) aufweist, der zumindest abschnittsweise den durch den Volumenstrommesser

(5) fliessenden Volumenstrom aufintegriert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (6) eine Rücksetzschaltung (15) aufweist, die den Integrator (14) auf oder um einen vorbestimmten Wert zurücksetzt, wenn der Volumenstrom um einen vorbestimmten Wert abnimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung

(6) dem Integrator (14) den Ausgangswert des Volumenstrommessers (5) nur dann zuführt, wenn dieser einen vorbestimmten ersten Voiumenstromwert überschreitet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (6) eine Anzeige (16) betätigt, wenn der Integrator (15) einen vorbestimmten ersten Volumenwert ermittelt hat.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (6) den Integrator (14) nach Erreichen des ersten Volumenwerts auf Null zurücksetzt und eine erneute Integration einleitet, wenn der Volumenstrom einen vorbestimmten zweiten Voiumenstromwert, der grösser als der erste ist, nicht überschreitet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis

16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (6) das Nebenventil (28, 29) in geschlossener Stellung verriegelt, wenn der Integrator (15) einen vorbestimmten zweiten Volumenwert ermittelt hat.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis

17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (6) eine vorbestimmte Zeit, nachdem der Volumenstrom einen vorbestimmten dritten Voiumenstromwert, der grösser als der zweite Voiumenstromwert ist, erreicht hat, das Nebenvontil (28, 29) schliesst.

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