DE102006033611B4

DE102006033611B4 - Gasphasenkorrektur für Ultraschalldurchflussmesser

Info

Publication number: DE102006033611B4
Application number: DE200610033611
Authority: DE
Inventors: Manfred Schulze
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: DE102006033611A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Wasserverbrauchszählers zur Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser in einem Versorgungssystem für Wasser, wobei die Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser auf der Grundlage des richtungsabhängigen Laufzeitunterschiedes eines Ultraschallsignals in einer Messtrecke erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
(a) neben der Verbrauchsmengenmessung an Wasser eine Erfassung des Anteils an einem im Versorgungssystem vorhandenen gasförmigen Medium erfolgt,
(b) mittels des Ergebnisses der Erfassung des gasförmigen Mediums eine Korrektur der Verbrauchsmengendaten an Wasser dergestalt erfolgt, dass die Verbrauchsmenge an Wasser unter Ausschluss der Menge an gasförmigem Medium ermittelt wird,
(c) die Erfassung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage des Ultraschallsignals zur Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser erfolgt,
(d) die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage mindestens einer medium-spezifischen Schallkenngröße erfolgt und
(e) bei der Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium die Temperatur des Gemisches aus Wasser und...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zur Ermittlung des Verbrauchs an Wasser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Trinkwasser (als Beispiel des ersten Mediums) ist das wichtigste Nahrungsmittel für die Menschheit. Trinkwasser wird in Versorgungssystemen zur Verfügung gestellt. Der Verbrauch an Wasser wird nicht nur in Industrieländern sondern zunehmend auch in Drittländern gemessen. Versorgungssysteme in Drittländern werden aufgrund von Wasserknappheit häufig auch diskontinuierlich betrieben d. h. Wasser wird nur zu bestimmten Tageszeiten zur Verfügung gestellt. Daraus resultiert eine notwendige Anlaufzeit des Versorgungssystems, in dem regelmäßig betriebsbedingt eine Menge an Luft (als Beispiel für ein zweites Medium) mitgeführt wird. Diese Luftanteile werden bei herkömmlicher Verbrauchsmessung „als Wasser” gemessen und vom Nutzer bezahlt. Diese Luftanteile liegen durchaus in der Größenordnung von Volumenprozent. Darüber hinaus besteht das Problem, dass vor allem in Drittländer in den Wasserversorgungssystemen ein hoher Fremdstoffanteil vorherrscht, der es schwierig macht, einfache mechanische Messgeräte (einstrahlige oder mehrstrahlige Messgeräte, Woltman-Messgeräte, Ringkolbenmessgeräte) einzusetzen, da ein hoher Verschleiß eintritt.
Die DE 10 2004 053 860 A1 zeigt einen Wasserverbrauchszähler auf der Basis des Ultraschall-Laufzeit-Unterschiedprinzips, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Aus der DE 10 2005 018 707 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung von nicht kondensierbaren Gasen und Dämpfen in einem Dampf-Gasgemisch bekannt. Die Zielsetzung dieser Erfindung besteht in der Sicherstellung einer einwandfreien Sterilisation oder Desinfektion, wofür eine Reduzierung nicht kondensierbarer Gase im Sattdampf erforderlich ist. Hierfür muss der Anteil solcher Gase im Dampf als auch in der Sterilisations- oder Desinfektionskammer permanent gemessen und überwacht werden.
Die DE 102 24 294 A1 betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung, welches gleichzeitig die Möglichkeit zur Erfassung von Partikelkonzentrationen, beispielsweise bei Rauch- oder Abgasen gewährleistet.
Aus der US 4 726 235 ist ein Ultraschall-Messgerät zur Erfassung der Gasgeschwindigkeit sowie Feststoffanteilen in einem Gasstrom bekannt. Die Erfassung der Verbrauchsmenge erfolgt auf der Grundlage einer in Strömungsrichtung erfolgenden Verschiebung der Ultraschallimpulse sowie deren Dämpfung.
Ferner ist aus der US 2006/0048583 A1 eine Einrichtung zur Messung des gesamten Gasgehalts einer durch eine Prozessleitung fließenden Flüssigkeit bekannt. Hierbei wird eine geringfügige Menge der Flüssigkeit abgezweigt und in einem Auffangbehälter gesammelt. Die abgezweigte Leitung beinhaltet eine Mehrzahl von Sensoren zur Bestimmung des Anteils von Gas in der Flüssigkeit. Die Abzweigleitung ist vertikal angeordnet. Der Gasgehalt der Flüssigkeit wird durch Erfassung der Steiggeschwindigkeit der Flüssigkeit, welche vom Gehalt an Gas in der Flüssigkeit abhängt, ermittelt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Einrichtung zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche eine exaktere Erfassung des Verbrauchs an Wasser ermöglicht. Die Erfassung soll zudem mit vergleichsweise einfachen technischen Mittel erfolgen. Die einzusetzenden Geräte sollen keinem großen Verschleiß bei hohem Fremdstoffanteil unterliegen.
Die vorstehende Aufgabe wird bei Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung kann gasförmiges Medium, wie z. B. Luft bei der Ermittlung der Verbrauchsmenge an Wasser, miteinbezogen werden. Die Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser ist damit wesentlich genauer. Dadurch, dass als Messtechnologie die Ultraschallmesstechnologie erfindungsgemäß verwendet wird, kann der Verschleiß trotz hohem Fremdstoffanteil niedrig gehalten werden. Ferner erfolgt die Erfassung des Anteils an gasförmigem Medium auf der Grundlage des Ultraschallsignals zur Erfassung der Menge, insbesondere Verbrauchsmenge an Wasser. Es müssen daher in vorteilhafter Weise keine umfangreichen Änderungen an der Utraschallmesstechnologie vorgenommen werden. Auf eine vorhandene Technologie kann zurückgegriffen werden. Die Ermittlung des Anteils an gasförmigem Medium erfolgt erfindungsgemäß auf der Grundlage mindestens einer medium-spezifischen Schallkenngröße, welche durch den Anteil an gasförmigem Medium beeinflusst wird. Liegt beispielsweise ein Wasser/Luftgemisch vor, so ändert sich die Schallkenngröße im Vergleich zu Wasser ohne Luftanteil. Derartige Schallkenngrößen können detektiert werden. Es kann auch gleichzeitig eine Kombination mehrerer Schallkenngrößen bei der Ermittlung ausgewertet werden.
Insbesondere kann die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallgeschwindigkeit als Schallkenngröße durch das gasförmige Medium erfolgen. Ermittelt wird somit die Beeinträchtigung des Schallgeschwindigkeit und somit der Schalllaufzeit des Ultraschallsignals aufgrund des gasförmigen Mediums.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallabsorption als Schallkenngröße durch das gasförmige Medium erfolgen. Gemessen wird somit die Beeinträchtigung des Schallsignalpegels.
Alternativ oder zusätzlich kann die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallkennimpedanz als Schallkenngröße durch das gasförmige Medium erfolgen.
Vorzugweise werden die obigen Kenngrößen auch in ihrer Kombination zur Erfassung herangezogen.
Zweckmäßigerweise wird für das Verfahren ein breitbandiges Ultraschallsignal eingesetzt. Vorteilhaft liegt das Sendesignal der Ultraschallwelle in einem Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 10 MHz, vorzugsweise von 1 MHz bis 3 MHz.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders, wenn der Anteil an dem gasförmigen Medium in dem Versorgungssystem des ersten Mediums maximal 10 Vol.-% beträgt.
Zweckmäßigerweise wird die aktuell gemessene Beeinflussung der Ultraschallwelle durch das gasförmige Medium mit einer empirisch ermittelten Charakteristik verglichen und aus dem Ergebnis des Vergleichs das Korrektiv für die Ermittlung des Anteils an Wasser gebildet. In der Charakteristik sind die Einflüsse des Luftanteils z. B. Volumenanteil, Luftbläschengrößen auf Ultraschallkenngrößen als Referenzgrößen hinterlegt.
In Bezug auf die Einrichtung zur Ermittlung des Verbrauchs an Wasser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 wird die eingangs genannte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Mittel zur Erfassung des Volumenanteils oder Masseanteils des gasförmigen Mediums Mittel zur Erfassung mindestens einer Schallkenngröße, insbesondere der Absorption (Bestimmung des Schallpegels), der Geschwindigkeit (Laufzeit des Ultraschallsignals) oder der Schallkennimpedanz. Die vorgenannten Mittel können auch zweckmäßigerweise in Kombination zum Einsatz kommen.
Bevorzugt umfassen die Mittel zur Erfassung des Volumenanteils eines gasförmigen Mediums einen Speicher, in dem Kenndaten zum Vergleich der ermittelten Werte vorgegeben sind. Hierbei handelt es sich um empirisch ermittelte Kenndaten betreffend die Beeinflussung von Ultraschallkenndaten des Wassers durch das Vorhandensein des gasförmigen Mediums (beispielsweise fein verteilte Luftblasen).
Die vorliegende Erfindung schließt es nicht aus, dass auch ein ggf. vorhandenes drittes Medium auf die beschriebene Art und Weise bei der Ermittlung der Menge an Wasser mit einbezogen werden kann.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird nachstehend anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen
1 eine stark vereinfachte Prinzipschaltskizze einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie
2 eine stark vereinfachte Darstellung der Abhängigkeit des gemessenen Schallpegels in Abhängigkeit des Anteils an Luft in einem Wasserversorgungssystem.
Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine Messstrecke der Länge L einer Einrichtung zur Erfassung des Verbrauchs von Wasser in einem Versorgungssystem unter Anwendung der Ultraschallmesstechnik. Die Messstrecke 1 wird gebildet durch einen Sendewandler 2, der über eine Signalleitung 4 ein elektrisches Signal empfängt, in ein Ultraschallsignal 13 umwandelt und dieses in die Messstrecke 1 abgibt. Das Ultraschallsignal 13 wird anschließend von einem Empfangswandler 3 am Ende der Messstrecke 1 empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und über eine Signalleitung 5 der Signalverarbeitung bzw. Auswertung zugeführt wird. In der Ausgestaltung gemäß 1 arbeiten die Wandler 2 und 3 abwechselnd als Sende- bzw. Empfangswandler.
Die Erfassung des Volumenstroms an Wasser erfolgt zweckmäßigerweise auf der Grundlage einer Bestimmung des Laufzeitunterschieds des Ultraschallsignals in der einen sowie anderen Richtung entlang der Messstrecke 1. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der DE 195 30 054 C2 beschrieben, auf das vollinhaltlich Bezug genommen wird. Dieses Verfahren ist allerdings nicht in der Lage den Anteil von Luft innerhalb des ermittelten Anteils an Wasser festzustellen.
Die vorstehend beschriebene Erfassung des Volumenanteils an Wasser d. h. Signalverarbeitung erfolgt in den Mitteln 6 zur Erfassung des Volumenanteils an Wasser.
Erfindungsgemäß wird das vom Empfangswandler 3 empfangene und in elektrische Signale umgewandelte Ultraschallsignal Mitteln 7 zur Erfassung des Anteils an Luft zugeführt und eine entsprechende Auswertung dort vorgenommen. Hierzu enthalten die Mittel 7 zweckmäßigerweise eine Einrichtung 10 zur Erfassung einer zusätzlichen Schallkenngröße nämlich des Empfangspegels des Ultraschallsignals 13. Es wurde herausgefunden, dass im Wasser enthaltene Luftbläschen eine erhebliche Reduzierung des Empfangspegels des Ultraschallsignals bewirken, wie dies stark vereinfacht in 2 wiedergegeben ist. Diese zusätzliche Information, die aus dem ohnehin beim Empfangswandler ankommenden Ultraschallsignal 1 gewonnen wird, erlaubt eine Aussage über den vorhandenen Luftanteil.
Die den Empfangspegel repräsentierenden Signale werden in einer Einrichtung 11 zur Signalverarbeitung und Auswertung mit in einem Speicher 12 abgelegten empirisch ermittelten Werte verglichen und der weiteren Datenverarbeitung zugeführt.
In den Mitteln 8 zur Feststellung des tatsächlichen Verbrauchs an Wasser wird eine Korrektur des in den Mitteln 6 festgestellten Verbrauchs vorgenommen und die korrigierten Daten einer Datenausgabe 9 zugeführt. Die ausgegebenen Verbrauchsdaten entsprechen den tatsächlichen Wasserverbrauchsdaten unter Ausschluss von Luft, welche in dem Wasserversorgungssystem enthalten ist.
Die im Speicher abgelegten Werte können zusätzlich auch alterungsbedingte und/oder ablagerungsbedingte und/oder temperaturbedingte Einflüsse auf die Schallkenngrößen, sodass auch diese Einflüsse bei der Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser mit einbezogen werden können.
Wie in 1 dargestellt, ist ein Temperaturfühler 14, vorzugsweise in Zu- oder Ablauf zur Messstrecke 1 bzw. von der Messstrecke 1 vorgesehen, um die Temperatur bei der Erfassung der exakten Verbrauchsmenge an Wasser mit einbeziehen zu können.
Es wurde herausgefunden, dass Luftblasen die Schallausbreitung aufgrund unterschiedlicher akustischer Eigenschaften im Vergleich zu Wasser beeinträchtigen. Da einige Schallkenngrößen frequenzabhängig sind, wird zweckmäßigerweise für das Verfahren jedoch ein breitbandiges Ultraschallsignal eingesetzt. Vorteilhaft liegt das Sendesignal der Ultraschallwelle in einem Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 10 MHz, vorzugsweise von 1 MHz bis 3 MHz.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders, wenn der Anteil an dem gasförmigen Medium in dem Wasserversorgungssystem maximal 10 Vol.-% beträgt.
Die vorstehend beschriebene Idee ermöglicht eine exaktere Erfassung des Verbrauchs von Wasser mit vergleichsweise einfachen technischen Mitteln. Das Verfahren ist auch bei hohem Fremdstoffanteil in einer Wasserversorgung einsetzbar. Es eignet sich daher besonders für die Volumenerfassung in Versorgungssystemen von Drittländern. Daneben kann das erfindungsgemäße Verfahren sowie die entsprechende Einrichtung in vorteilhafter Weise auch für exakte Enthalphieberechnungen in thermischen Sonnenkollektoren eingesetzt werden.
Mit der Erfindung kann in entsprechender Weise bei der Mengenmessung, insbesondere Verbrauchsmengenmessung, an Wasser auch der Einfluss eines dritten oder weiteren Mediums berücksichtigt werden. Voraussetzung hierfür ist es lediglich, dass entsprechende Vergleichswerte vorher empirisch ermittelt werden.

1: Messstrecke
2: Sendewandler
3: Empfangswandler
4: Signalleitung
5: Signalleitung
6: Mittel zur Erfassung Verbrauchsanteil an Wasser
7: Mittel zur Erfassung Verbrauchsanteil eines gasförmigen Mediums
8: Mittel zur Bestimmung tatsächlicher Verbrauchsanteils an Wasser
9: Datenausgabe
10: Mittel zur Pegelerfassung
11: Mittel zur Signalverarbeitung
12: Speicher
13: Ultraschallsignal
14: Mittel zur Erfassung der Temperatur

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Wasserverbrauchszählers zur Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser in einem Versorgungssystem für Wasser, wobei die Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser auf der Grundlage des richtungsabhängigen Laufzeitunterschiedes eines Ultraschallsignals in einer Messtrecke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass (a) neben der Verbrauchsmengenmessung an Wasser eine Erfassung des Anteils an einem im Versorgungssystem vorhandenen gasförmigen Medium erfolgt, (b) mittels des Ergebnisses der Erfassung des gasförmigen Mediums eine Korrektur der Verbrauchsmengendaten an Wasser dergestalt erfolgt, dass die Verbrauchsmenge an Wasser unter Ausschluss der Menge an gasförmigem Medium ermittelt wird, (c) die Erfassung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage des Ultraschallsignals zur Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser erfolgt, (d) die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage mindestens einer medium-spezifischen Schallkenngröße erfolgt und (e) bei der Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium die Temperatur des Gemisches aus Wasser und gasförmigem Medium als zusätzliche Größe berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem gasförmigen Medium um Luft handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallgeschwindigkeit, die durch das gasförmige Medium erfolgt, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallabsorption, die durch das gasförmige Medium erfolgt, vorgenommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Anteils an dem gasförmigen Medium auf der Grundlage der Beeinflussung der Schallkennimpedanz, die durch das gasförmige Medium erfolgt, vorgenommen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal der Ultraschallwelle in einem Frequenzbereich von 0,5 MHz bis 10 MHz, vorzugsweise von 1 MHz bis 3 MHz liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an dem gasförmigen Medium in dem Versorgungssystem des Wassers maximal 10 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuell gemessene Beeinflussung der Ultraschallwelle durch das gasförmige Medium mit einer empirisch ermittelten Charakteristik verglichen und aus dem Ergebnis des Vergleichs das Korrektiv für die Ermittlung des Anteils an Wasser ermittelt wird.
Einrichtung zur Ermittlung des Verbrauchs an Wasser eines Versorgungssystems mit einer Ultraschallmesstrecke (1), die durch einen Sendewandler (2) sowie einen Empfangswandler (3) festgelegt ist, sowie Mitteln (6) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils an Wasser zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (7) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils eines gasförmigen Mediums, welches im Wasser-Versorgungssystem vorhanden ist, vorgesehen sind, Mittel (8) zur Bestimmung des tatsächlichen Verbrauchsanteils oder Massenanteils an Wasser vorgesehen sind, mittels derer eine Korrektur des erfassten Volumenanteils oder Massenanteils an Wasser anhand des erfassten Volumenanteils oder Massenanteils an gasförmigem Medium durchführbar ist, Mittel (14) zur Erfassung der Temperatur des Gemisches aus Wasser und gasförmigem Medium vorgesehen sind, wobei die Ermittlung des Volumenanteils oder Massenanteils an gasförmigem Medium unter Heranziehung mindestens einer medium-spezifischen Schallkenngröße auf der Grundlage des Ultraschallsignals (13) zur Erfassung der Verbrauchsmenge an Wasser erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils des gasförmigen Mediums Mittel (10) zur Erfassung des Pegels des Ultraschallsignals (13) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils des gasförmigen Mediums Mittel (10) zur Erfassung der Geschwindigkeit des Ultraschallsignals (13) umfassen.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils eines zweiten Mediums Mittel (10) zur Erfassung der Schallkennimpedanz umfassen.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Erfassung des Volumenanteils oder Massenanteils des gasförmigen Mediums einen Speicher (12) umfassen, in dem Kenndaten zum Vergleich der ermittelten Werte vorgegeben sind.