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Die
Erfindung betrifft einen Strömungssensor,
für strömende Medien,
mit einem zylindrischen Gehäuse
und mit einem in dem Gehäuse
angeordneten Sensorelement, wobei das Gehäuse vorzugsweise ein Außengewinde
aufweist und in eine Wandung bzw. einen Anschlußstutzen eines Rohres einschraubbar
ist, wobei ein in das strömende
Medium hineinragender Hubkörper
vorgesehen ist, der an dem Gehäuse
beweglich geführt
ist und in Abhängigkeit
von der Strömung
des zu überwachenden
Mediums gegen die Federkraft eines zwischen dem Gehäuse und
dem Hubkörper
angeordneten Federelements bewegbar ist, und wobei das Sensorelement ein
von der Position des Hubkörpers
abhängiges
Signal erzeugt.
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Eingangs
ist gesagt worden, daß die
Erfindung einen Strömungssensor
betrifft. Ein derartiger Strömungssensor
kann auch als Strömungswächter oder
als Strömungsmeßgerät bezeichnet
werden. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Strömungssensor
sowohl ein Strömungswächter verstanden, mit
dem lediglich das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer bestimmten
Strömung
festgestellt wird, als auch ein Strömungsmeßgerät, bei dem ein Strömungswert
gemessen wird; bei dem also ein dem Strömungswert entsprechender Meßwert gewonnen
werden kann.
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Bekannte
Strömungswächter bzw.
Strömungsmeßgeräte arbeiten
häufig
nach dem kalorimetrischen Prinzip. Dazu weisen die Strömungssensoren
in der Regel mindestens ein Temperaturmeßelement und ein Heizelement
auf. Im allgemeinen arbeitet man mit einer Differenztemperaturmessung. Ein
erstes Temperaturmeßelement
mißt die
eigentliche Meßtemperatur,
wobei sich die Meßtemperatur aus
der Heizleistung des Heizelements, der Temperatur des strömenden Mediums
und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums
ergibt. Weiter mißt
im allgemeinen ein zweites Temperaturmeßelement eine Referenztemperatur,
wobei jedoch die Funktion des zweiten Temperaturmeßelements
auch von dem Heizelement übernommen
werden kann. Bei einem Strömungssensor
nach dem kalorimetrischen Prinzip stellen das Temperaturmeßelement
und das Heizelement das bzw. die eingangs genannten Sensorelemente
dar. Derartige Strömungssensoren
sind – insbesondere im
Vergleich zu herkömmlichen
Näherungsschaltern – relativ
teuer.
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Sensoren,
die zur Überwachung
eines Mediums bzw. der Eigenschaft eines Mediums, wie z. B. des
Druckes einer Flüssigkeit
oder eines Gases, dienen, insbesondere Strömungssensoren, weisen meist
ein zylindrisches Gehäuse
auf, wobei das Gehäuse
zum einen, wie bei allen Sensoren, zum Schutz des Sensors und der
dazu gehörenden
Elektronik, zum anderen aber auch zum sicheren und dauerhaften Anschluß an das
das Medium führende Rohr
bzw. den Behälter
dient. Die Sensoren sind entweder zum Anschluß an separate Auswerteelektroniken
vorgesehen, oder mit der Auswerteelektronik als kompakte Einheit
zusammengefaßt.
Insbesondere derartige Kompaktgeräte, bestehen meist aus mindestens
zwei Teilen, einem Unterteil und einem Oberteil, wobei das Unterteil
mit dem das Medium führenden
Behälter
oder Rohr verbunden ist und deshalb häufig auch als Prozeßanschluß bezeichnet
wird.
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Vorteil
eines Sensors mit einem zwei- oder mehrteiligen Gehäuse ist
es, daß bei
einem Defekt des Sensors bzw. der Elektronik lediglich das Oberteil
des Gehäuses
ausgewechselt werden muß,
ohne daß durch
Auswechseln des Prozeßanschlusses
in den laufenden Prozeß eingegriffen
werden muß.
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Nachteilig
bei den zuvor beschriebenen Sensoren, insbesondere bei einem Strömungssensor,
ist es – unabhängig davon,
ob das Gehäuse
ein- oder zweiteilig ausgeführt
ist –,
daß zum
Anschluß des Sensors
bzw. des Prozeßanschlusses
des Sensors in bestehenden Anlagen eine Rohrleitung aufgetrennt
und ein T-Stück
zur Aufnahme des Sensors eingebaut werden muß. Diese Vorgehensweise ist dann
besonders nachteilig, wenn die Verwendung eines Strömungssensors
nur mit relativ geringen Kosten verbunden sein soll. Dies ist beispielsweise
bei der Wasserversorgung in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus der
Fall. Eine zentrale Wasserversorgungsanlage in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus
besteht in der Regel aus einem Warmwasserkreislauf, mit einem Warmwasserspeicher,
einem Kaltwasserzulauf und einer Warm- und Kaltwasserleitung mit
mehreren Zapfstellen (z. B. in den Bäder, der Küche und den Toiletten).
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Eine
derartige häusliche
Wasserversorgungsanlage ist beispielsweise aus der
DE 32 42 491 C2 bekant.
Die Wasserversorgungsanlage weist einen Warmwasserspeicher, eine
daran angeschlossene Zirkulationsleitung mit mehreren Zapfstellen
und einen Kaltwasserzulauf auf, wobei im Kaltwasserzulauf ein Rückschlagventil
eingebaut ist. In der Rücklaufleitung
der Zirkulationsleitung ist eine Pumpvorrichtung eingebaut, die über einen
in der Vorlaufleitung der Zirkulationsleitung eingebauten Strömungssensor
und über
einen in der Rücklaufleitung
eingebauten Temperatursensor ein- und ausschaltbar ist.
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Ein
eingangs beschriebener Strömungssensor
ist aus der
DE 21 46
115 B2 bekannt. Bei dem bekannten Strömungssensor ist innerhalb eines
Rohres ein Reed-Kontakt als Sensorelement vorgesehen, der mit am
Meßkörper angeordneten
Magneten zusammenwirkt. Die Magnete sind dabei als Ringmagnete ausgebildet,
so daß sie
den Reed-Kontakt konzentrisch umgeben.
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Die
DE 298 23 702 U1 offenbart
ebenfalls einen Strömungssensor
für strömende Medien,
wobei der dort beschriebene Strömungssensor
ein spezielles Kunststoffgehäuse
mit einem rohrförmigen
Strömungsraum
und einem ebenfalls rohrförmigen,
unter einem Winkel von ca. 45° dazu
angeordneten Meßraum
aufweist. Innerhalb des Meßraums
ist ein Träger
mit einem darin angeordneten Permanentmagneten beweglich angeordnet,
der ebenfalls mit einem als Reedschalter ausgebildeten Sensor zusammenwirkt.
Die Verwendung eines Reed-Kontaktes hat jedoch den Nachteil, daß die Genauigkeit
nicht besonders groß ist,
insbesondere eine relativ große
Hysterese existiert und eine relativ große Auslenkung des Meßkörpers erforderlich
ist, damit es zu einem Schaltvorgang des Reed-Kontaktes kommt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strömungssensor
zur Verfügung
zu stellen, der möglichst
kostengünstig
hergestellt werden kann, so daß der
Strömungssensor auch
im privaten Bereich, insbesondere innerhalb einer zentralen Warmwasserversorgungsanlage
eines Ein- oder Mehrfamilienhauses eingesetzt werden kann. Darüber hinaus
soll der Strömungssensor
eine möglichst
hohe Meßgenauigkeit
aufweisen.
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Die
zuvor genannte Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Strömungssensor
dadurch gelöst,
daß das
Sensorelement als induktiver Näherungsschal ter
ausgebildet ist, daß das
zum Hubkörper
weisende Ende des Gehäuses
einen Führungsbolzen
aufweist und daß zumindest
das – im
eingebauten Zustand – aus
dem Inneren des Rohres weisende Ende des Hubkörpers hülsenförmig ausgebildet ist, so daß der Hubkörper auf
dem Führungsbolzen
geführt
ist, so daß der
Hubkörper
durch eine Strömung
des zu überwachenden
Mediums in Richtung des induktiven Näherungsschalters bewegt wird,
wodurch sich der Abstand zwischen dem Hubkörper und dem induktiven Näherungsschalter
verringert, was bei einem vorgegebenen Abstand ein Schaltsignal
des induktiven Näherungsschalters
und damit dessen Strömungssensors
auslöst.
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Durch
die Anordnung des in das strömende Medium
hineinragenden, beweglich auf dem Führungsbolzen des Gehäuses geführten Hubkörpers, dessen
Position ein Maß für die zu überwachende Strömung darstellt,
kann ein sehr einfacher Strömungssensor
realisiert werden. Das Sensorelement ist dabei durch einen in dem
Gehäuse
angeordneten induktiven Näherungsschalter
realisiert, der in Abhängigkeit
von der Position des Hubkörpers
ein Schaltsignal ausgibt. Derartige induktive Näherungsschalter werden seit
Jahrzehnten millionenfach im industriellen Bereich eingesetzt, so
daß je
nach konkretem Anwendungsfall eine Vielzahl unterschiedlicher induktiver
Näherungsschalter,
mit unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Schaltabständen zur
Verfügung
stehen.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors
weist der Hubkörper
einen umlaufenden Bund auf, wobei der Bund so ausgebildet ist, daß der Strömungssensor
zusätzlich
die Funktion eines Rückschlagventils
aufweist. Dadurch kann der erfindungsgemäße Strömungssensor einfach anstelle
eines in einer Wasserversorgungsanlage vorhandenen Rückschlagventils
in den für
das Rückschlagventil
bereits vorgesehenen Anschlußstutzen
eines Rohres, insbesondere des Kaltwasserzulaufs, eingeschraubt
werden. Damit entfällt
das bei der Verwendung von kalorimetrischen Strömungssensoren notwendige Einfügen eines
T-Stückes
in die bestehende Rohrleitung zum Anschluß des Strömungssensors. Da der Strömungssensor
gleichzeitig auch als Rückschlagventil dient,
sind keine Änderungen
in den Rohrleitungen erforderlich; der Strömungssensor ersetzt einfach das
Rückschlagventil
und liefert darüber
hinaus noch eine Aussage über
die Strömung
des Mediums, d. h. des Wassers, in der Leitung.
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Um
auch bei relativ kleinen Strömungen
einen ausreichend großen
Hub des Hubkörpers
zu erreichen, der dann auch mit einem einfachen berührungslosen
Näherungsschalter
detektiert werden kann, ist vorzugsweise vorgesehen, daß zwischen dem – im eingebauten
Zustand – in
das Rohr ragenden Ende des Hubkörpers
und dem umlaufenden Bund ein zylindrischer Abschnitt am Hubkörper ausgebildet
ist. Dadurch wird erreicht, daß das
in das Rohr ragende Ende des Hubkörpers – im Unterschied zu einem normalen
Rückschlagventil – nicht als
flacher Teller ausgebildet ist. Durch die Ausbildung eines zylindrischen
Abschnittes, der im eingebauten Zustand des Strömungssensors in den Ventilsitz
im Rohr hineinragt, wird bereits bei sehr geringen Strömungen ein
ausreichend großer
Hub des Hubkörpers
erreicht.
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Wie
zuvor bereits ausgeführt,
kann der erfindungsgemäße Strömungssensor
besonders vorteilhaft in einer Wasserversorgungsanlage in einem
Ein- oder Mehrfamilienhaus an der Position eines Rückschlagventils
eingesetzt werden. Daher betrifft die Erfindung neben dem zuvor
beschriebenen Strömungssensor
auch eine Anordnung zur Strömungsüberwachung
in einer Wasserversorgungsanlage in einem Ein- oder Mehrfamilienhaus,
mit einem erfindungsgemäßen Strömungssensor,
wobei die Wasserversorgungsanlage zumindest einen Kaltwasserzulauf,
einen Brauchwasserspeicher und einen Warmwasserkreislauf mit einer
Warmwasserleitung und mehreren Zapfstellen aufweist, und wobei im
Kaltwasserzulauf ein Ventilsitz ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist nun
der einen Hubkörper
mit einem umlaufenden Bund und einen zylindrischen Abschnitt aufweisende
Strömungssensor
im Kaltwasserzulauf anstelle des Rückschlagventils angeordnet,
wobei der zylindrische Abschnitt des Hubkörpers in den Ventilsitz hineinragt,
wenn keine Strömung
ansteht, und wobei der Durchmesser des umlaufenden Bundes etwas
größer und
der Durchmesser des Abschnitts etwas kleiner als die Öffnung des Ventilsitzes
ist, so daß zwischen
dem zylindrischer Abschnitt und dem Ventilsitz ein Spalt vorhanden
ist. Wie zuvor bereits ausgeführt,
entfällt
dadurch die nachträgliche
Anordnung eines T-Stückes
innerhalb einer bestehenden Rohrleitung. An der Stelle des für den Brauchwasserspeicher
vorgeschriebenen Rückschlagventils
kann einfach der Strömungssensor
eingesetzt werden, da dieser die Funktion des Rückschlagventils ebenfalls übernimmt.
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Da
bei einem Ein- oder Mehrfamilienhaus die Leitungswege zwischen dem
zumeist im Keller angeordneten Warmwasserspeicher und den einzelnen Zapfstellen
relativ groß sind,
weist die Wasserversorgungsanlage in der Regel eine Zirkulationspumpe und
eine Zirkulationsleitung auf. Die Zirkulationsleitung sorgt dabei
dafür,
daß bei
eingeschalteter Zirkulationspumpe permanent warmes Wasser an den Stichleitungen
zu den einzelnen Zapfstellen ansteht.
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Durch
die Verwendung einer Zirkulationspumpe und einer Zirkulationsleitung
wird der Komfort bei der Benutzung einer Warmwasserversorgungsanlage
deutlich erhöht,
da das gewünschte
warme Wasser sehr kurzfristig nach dem Öffnen der Zapfstelle zur Verfügung steht.
Dieser Vorteil wird jedoch durch den erhöhten Verbrauch an elektrischer
Energie für
die Zirkulationspumpe und insbesondere durch erhöhte Wärmeverluste in den Warmwasserleitungen
erkauft. Um diese Verluste zu verringern, sind verschiedene Maßnahmen
bekannt, eine "bedarfsorientierte" Steuerung der Zirkulationspumpe
zu realisieren. Die einfachste und in der Praxis am häufigsten
angewandte Maßnahme
besteht in der Verwendung einer einfachen Zeitschaltuhr, wodurch
erreicht wird, daß die
Zirkulationspumpe zumindest während der
Nacht ausgeschaltet bleibt. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungssensors kann
darüber
hinaus eine Steuerung der Zirkulationspumpe realisiert werden, bei
der – durch
das Schaltsignal des Strömungssensors
initiiert – die
Zirkulationspumpe nur bei einer Wasserentnahme, d. h. bei einer
Strömung
in einer Wasserleitung, eingeschaltet wird.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Strömungssensor
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem
Patentanspruchs 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Strömungssensors,
eingebaut in einer Wasserleitung einer Wasserversorgungsanlage,
bei keiner Strömung,
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2 den
Strömungssensor
gemäß 1, bei
Beginn der Wasserentnahme,
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3 den
Strömungssensor
gemäß 1, bei
voller Wasserentnahme,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Strömungssensors,
eingebaut in einer Wasserleitung, bei keiner Wasserentnahme,
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5 den
Strömungssensor
gemäß 4, bei
beginnender Wasserentnahme,
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6 den
Strömungssensor
gemäß 4, bei
voller Wasserentnahme,
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7 eine
alternative Ausgestaltung eines Strömungssensors gemäß 1 und
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8 eine
alternative Ausgestaltung eines Strömungssensors gemäß 4.
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Die
Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen
eines Strömungssensors 1,
der ein zylindrisches Gehäuse 2 aufweist,
wobei an dem Gehäuse 2 ein
Abschnitt mit einem Außengewinde 3 ausgebildet
ist, mit dem der Strömungssensor 1 in
einem Anschlußstutzen 4 eines
Rohres 5 eingeschraubt ist.
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Den
in den Figuren dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen
des Strömungssensors 1 ist
gemeinsam, daß jeweils
ein in das strömende
Medium hineinragender Hubkörper 6 vorgesehen ist,
der beweglich an dem Gehäuse 2 geführt ist
und in Abhängigkeit
von der Strömung 7 des
zu überwachenden
Mediums – in
den 3 und 6 durch einen Pfeil dargestellt – in Richtung
des Gehäuses 2 gedrückt wird.
Hierbei wird der Hubkörper 6 gegen die
Federkraft eines zwischen dem Gehäuse 2 und dem Hubkörper 6 angeordneten
Federelements 8 ausgelenkt.
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Die
Position des Hubkörpers 6,
die ein Maß für die Strömung 7 des
zu überwachenden
Mediums darstellt, wird von einem in dem Gehäuse 2 angeordneten
Sensorelement ausgewertet. Im einfachsten Fall wird dabei nur das
Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer bestimmten Strömung 7 über wacht.
Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich, das
Sensorelement so auszubilden, daß der tatsächliche Strömungswert gemessen wird.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 7 ist
am Hubkörper 6 ein
umlaufender Bund 9 derart ausgebildet, daß der Strömungssensor 1 bei
Einbau in einem entsprechenden, einen Ventilsitz 10 aufweisenden,
Rohrstück 5,
zusätzlich
die Funktion eines Rückschlagventils
aufweist. Zur Gewährleistung
einer ausreichenden Dichtigkeit ist dabei vor dem Bund 9 noch
ein Dichtungsring 11 angeordnet. Zwischen dem – im eingebauten
Zustand – in das
Innere des Rohres 5 weisenden Ende des Hubkörpers 6 und
dem umlaufenden Bund 9 bzw. dem Dichtungsring 11 weist
der Hubkörper 6 einen
zylindrischen Abschnitt 12 auf, der in den Ventilsitz 10 hineinragt,
wenn keine Strömung 7 ansteht.
Der Durchmesser des zylindrischen Abschnitts 12 ist dabei
etwas kleiner als die Öffnung 13 des
Ventilsitzes 10, so daß zwischen
dem zylindrischen Abschnitt 12 und dem Ventilsitz 10 ein
ringförmiger
Spalt 14 vorhanden ist.
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Ist
keine Strömung 7 vorhanden,
was in den 1, 4 und 7 dargestellt
ist, so wird der Hubkörper 6 aufgrund
der Federkraft des Federelements 8 gegen den Ventilsitz 10 gedrückt, wobei
der ringförmige
Spalt 14 durch den Dichtungsring 11 verschlossen
ist. Beim Anstehen einer geringen Strömung 7, wie dies in
den 2 und 5 dargestellt ist, wird der
Hubkörper 6 durch
die Strömung 7 entgegen
der Federkraft des Federelements 8 zum Gehäuse 2 gedrückt. Das
strömende
Medium kann dann durch den Spalt 14 in der vorgegebenen
Richtung durch das Rohr 5 strömen. Hierbei wird durch die
Ausbildung des in den Ventilsitz 10 hineinragenden zylindrischen
Abschnitts 12 erreicht, daß auch bei einer relativ geringen
Strömung 7 der
dadurch verursachte Hub 15 des Hubkörpers 6 ausreichend groß ist, so
daß er
von dem in dem Strömungssensor 1 angeordneten
Sensorelement detektiert werden kann. Durch eine entsprechende Wahl
der Länge
des zylindrischen Abschnitts 12, des Spaltes 14 sowie eine
entsprechende Dimensionierung des Federelements 8 kann
dabei der bei einer bestimmten Strömung 7 auftretende
Hub 15 eingestellt werden. Durch eine entsprechende Einstellung
des Hubes 15 bei einer bestimmten Strömung 7 ist somit eine
Anpassung an die Eigenschaften des verwendeten Sensorelements, insbesondere
an den Schaltpunkt des Sensorelements, möglich.
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Wie
aus den Figuren unmittelbar ersichtlich, weist das in das Innere
des Rohres 5 weisende Ende des Hubkörpers 6 eine konisch
zulaufende Spitze 16 auf. Durch die Wahl der Spitze 16 kann
dabei ebenfalls eine Einstellung des Hubes 15 und damit
auch des Schaltpunktes des Sensorelements erfolgen. Wie den 3 und 6 entnommen
werden kann, ist der Hubkörper 6 so
dimensioniert, daß bei
maximaler Strömung 7 die Öffnung 13 nahezu
vollständig freigegeben
ist, so daß der
Durchfluß des
strömenden
Mediums nahezu ungehindert erfolgen kann. Darüber hinaus kann den Figuren
entnommen werden, daß beim
Auftreten einer Strömung
entgegen der in den 3 und 6 eingezeichneten
Richtung der Strömungssensor 1 als
Rückschlagventil fungiert.
Durch die Federkraft des Federelements 8 wird der Hubkörper 6 mit
seinem Bund 9 bzw. dem Dichtungsring 11 gegen
den Ventilsitz 10 gedrückt, so
daß kein
Medium in entgegengesetzter Richtung – bei der Darstellung gemäß den Figuren
von oben – durch
das Rohr 5 fließen
kann.
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Die
Ausführungsformen
des Strömungssensors 1 gemäß den 1 bis 3 und 7 einerseits
sowie gemäß den 4 bis 6 und 8 andererseits,
unterscheiden sich durch die Verwendung unterschiedlicher Sensorelemente.
Bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den 1 bis 3 und 7 ist
als Sensorelement ein Magnetschalter 17 vorgesehen, der
in einer entsprechenden Bohrung im Gehäuse 2 eingeschraubt
ist. Zur Betätigung des
Magnetschalters 17 ist in dem gegenüberliegenden Ende 18 des
Hubkörpers 6 ein
Permanentmagnet 19 angeordnet. Bei den Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Strömungssensors 1 gemäß den 4 bis 6 und 8 ist
als Sensorelement ein induktiver Näherungsschalter 20 vorgesehen,
der ebenfalls in einer entsprechenden Bohrung in dem Gehäuse 2 befestigt
ist.
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Bei
dem in den 1 bis 3 dargestellten Strömungssensor 1 ist
in dem Gehäuse 2 – im zum Hubkörper 6 weisenden
Ende – eine
Bohrung 21 ausgebildet, in der das einen entsprechenden
Außendurchmesser
aufweisende zylindrische Ende 18 des Hubkörpers 6 geführt ist.
Im Unterschied dazu ist bei den in den 4 bis 8 dargestellten
Strömungssensoren 1 das
zum Hubkörper 6 weisende
Ende des Gehäuses 2 als
Führungsbolzen 22 ausgebildet,
auf dem der Hubkörper 6 geführt ist.
Hierzu ist der Hubkörper 6 gemäß den 4 bis 6 und 8 hülsenförmig ausgebildet.
Bei dem Strömungssensor 1 gemäß 7,
bei dem das Gehäuse 2 ebenfalls
einen Führungsbolzen 22 aufweist,
ist in dem Hubkörper 6 eine
korrespondierende Bohrung 23 vorgesehen. Eine derartige
Bohrung 23 ist auch bei dem Hubkörper 6 des erfindungsgemäßen Strömungssensors 1 gemäß 8 ausgebildet,
wobei hier der Führungsbolzen 22 am
Gehäuse 2 zwei,
einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisende Abschnitte aufweist.