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Für die Steuerung oder Regelung von Klima- oder Belüftungsanlagen ist es vorteilhaft, an verschiedenen Stellen des Leitungs- bzw. Lüftungssystems der Klima- oder Belüftungsanlage Sensoren zur Erfassung diverser Messgrößen wie bspw. Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc. einzubringen. Die Klima- oder Belüftungsanlage erzeugt eine Luftströmung, die durch das Leitungssystem bspw. in einen oder mehrere Räume eines Gebäudes geleitet wird. Das Leitungs- bzw. Lüftungssystem umfasst eine Vielzahl miteinander verbundener Leitungen oder Kanäle, die von einer Fluidströmung, insbesondere von einer Luftströmung, durchströmt werden. Unter einer Fluidströmung sind sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsströmungen zusammengefasst.
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Überlicherweise werden Sensormodule von außen am Leitungssystem angebracht, während die eigentlichen empfindlichen Sensoren in die Leitung hineinragen. Ein solches System wird bspw. im Zusammenhang mit einer Filtriereinrichtung für Luft in der
DE 2243071 A1 beschrieben. Diese weist einen Sensor zur Erfassung einer Strömung durch die Filtriereinrichtung auf, der am Gehäuse der Filtriereinrichtung fest installiert ist.
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Alternativ werden komplette Sensormodule umfassend den Sensor und ggf. eine Elektronik zum Auslesen des Sensors und/oder zur Weiterverarbeitung der vom Sensor registrierten Messdaten bspw. durch Kleben oder Schrauben innen an der Leitung montiert. Die Übertragung der Messwerte der Sensoren an die Steuerung oder Regelung sowie die Stromversorgung der Sensoren erfolgt drahtgebunden über installierte Leitungen.
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Neuere Ansätze zur Minimierung des Installations- und Wartungsaufwands haben zum Einen zum Ziel, Sensormodule einzusetzen, die die Messwerte des Sensors per Funk an die Steuerung oder Regelung übertragen und/oder die in der Lage sind, Daten von einer Basisstation zu empfangen. In diesem Fall umfassen die Sensormodule neben dem eigentlichen Sensor zumindest eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen und eine Elektronik zum Auslesen des Sensors, zur Weiterverarbeitung der vom Sensor registrierten Messdaten und/oder zum Weiterverarbeiten der von der Basisstation empfangenen Daten. Weitere Anwendungen für die Elektronik sind grundsätzlich ebenfalls denkbar.
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Zusätzlich oder alternativ hierzu haben die neueren Ansätze zum Ziel, energieautarke Sensormodule bereitzustellen. Diese beziehen die zum Betrieb notwendige Energie aus ihrer Umgebung, z. B. mit Hilfe von Solarzellen, oder aus internen Energiespeichern wie bspw. Batterien oder Akkus. Somit ist es nicht mehr erforderlich, die Sensormodule an eine Leitung zur Daten- und/oder Energieübertragung anzuschließen. Bspw. wird in der
DE 10103952 A1 eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Sensors beschrieben, bei der ein piezoelektrischer Wandler genutzt wird, um eine elektrische Spannung für den Betrieb des Sensors zu erzeugen.
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Nun kann es aber doch erforderlich sein, bspw. für Änderungen an der Klima- oder Belüftungsanlage oder zur Behebung von Störungen, Modifikationen an den Sensormodulen vorzunehmen. Dies ist im Fall der fest installierten Sensormodule mit erheblichem Aufwand verbunden. Es wäre daher von Vorteil, ein einfaches und robustes System zur Montage kabelloser Sensormodule in dem Leitungssystem zu schaffen, bei dem auch nach der Installation auf verhältnismäßig einfache Art und Weise eine Zugriffsmöglichkeit auf die Sensormodule gegeben ist.
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Aus der
DE 10140510 B4 und der
US 2006/0201120 A1 ist jeweils ein Einschubsystem bekannt, in das ein Halterahmen einsetzbar ist, an dem Sensoren befestigt werden können, mit denen bestimmte Parameter einer Fluidströmung in einem Kanal wie bspw. die Temperatur oder die Geschwindigkeit bestimmt werden können. Aufgrund der notwendigen Energieversorgung der Sensoren sind jedoch regelmäßige Wartungsarbeiten notwendig.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache wartungsarme Vorrichtung anzugeben, mit der Sensoren auf einfache Art und Weise und mit wenig Aufwand in oder an einem Leitungssystem zu installiern sind.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ausgenutzt, dass in den Leitungen des Leitungssystems von Klima- oder Belüftungsanlagen oftmals Einschubsysteme vorgesehen sind, die bspw. zur Installation von Filtern dienen. Derartige Filter werden dazu verwendet, Verunreinigungen aus dem Luftstrom zu entfernen, und müssen daher idealerweise flächig in die Luftströmung eingebracht werden. Die technische Umsetzung solcher Filtersysteme besteht im Allgemeinen darin, dass sich die eigentliche Filterstruktur im Inneren eines in der Regel rechteckförmigen Halterahmens befindet, der seitlich in ein entsprechends Einschubsystem geschoben wird. Zum Austausch verbrauchter Filter wird der Halterahmen mit dem auszutauschenden Filter aus dem Einschubsystem herausgezogen, ein neuer Filter am Halterahmen befestigt und der so bestückte Halterahmen wieder in das Einschubsystem eingeführt. Das Einschubsystem selbst ist als Zwischenstück einer Leitung des Leitungssystems ausgeführt und kann so bei der Installation an nahezu beliebigen Stellen im System eingefügt werden. Bedarfsweise wird hierzu an einer Stelle, an der ggf. noch kein Einschubsystem vorhanden ist, die Leitung aufgetrennt und ein neues Einschubsystem in das Leitungssystem installiert. Es ist jedoch davon auszugehen, dass bereits bei der Installation der Klima- oder Belüftungsanlage mit ihrem Leitungssystem an relevanten Stellen bereits Einschubsysteme vorgesehen sind.
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Ähnliche Lösungen gibt es für die Ein- und Auslassöffnungen des Leitungssystems von Klima- und Belüftungsanlagen. Solche Öffnungen werden bspw. in Zwischendecken durch spezielle Deckenplatten realisiert, wobei ebenfalls die Möglichkeit besteht, über Einschub- bzw. Austauschsysteme Filter austauschbar einzubauen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt die Einschubsysteme vorteilhafterweise dadurch aus, dass an einem Halterahmen, der in eines der beschriebenen Einschubsysteme eines Leitungssystems einführbar ist, zumindest ein kabellos angebundenes Sensormodul befestigt werden kann. Das Sensormodul umfasst zumindest den eigentlichen empfindlichen Sensor, eine Elektronikbaugruppe, einen Energiewandler und eine Antenne. Wenn der Halterahmen mit Sensormodul in das Einschubsystem eingeführt ist, befindet sich zumindest ein Teil des Sensormoduls, nämlich zumindest der Sensor und der Energiewandler, in der Fluid- bzw. Luftströmung der Klima- oder Belüftungsanlage. Der Energiewandler ist ausgebildet, um die zum Betrieb des Sensormoduls benötigte Energie aus der Strömungsenergie der Luftströmung zu gewinnen.
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Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Installation eines Sensormoduls an oder in einer von einer Fluidströmung durchströmten Leitung vorgeschlagen, wobei
- – an einer Einlass- oder Auslassöffnung der Leitung oder als Zwischenstück in der Leitung ein Einschubsystem vorgesehen ist, in das ein Halterahmen einzuschieben ist,
- – der Halterahmen mit einer Sensorbefestigungseinrichtung zur Befestigung des Sensormoduls am Halterahmen ausgestattet ist,
wobei
das Sensormodul ein energieautarkes Sensormodul mit einem Energiewandler ist, der ausgebildet ist, um die zum Betrieb des Sensormoduls benötigte Energie aus der Strömungsenergie der Fluidströmung zu gewinnen,
der Energiewandler des am Halterahmen befestigten Sensormoduls zumindest zum Teil in der Fluidströmung platziert ist, wenn der Halterahmen in das Einschubsystem eingeschoben ist, derart, dass der Energiewandler von der Fluidströmung in Bewegung versetzt wird, so dass er elektrische Energie erzeugt.
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Bspw. ist der Energiewandler eine mit piezoelektrischem Material beschichtete oder aus einem solchen Material bestehende Fahne, die in der Luftströmung flattert. Dies bewirkt, dass an der Oberfläche der Fahne bzw. des piezoelektrischen Materials elektrische Ladungen auftreten. Die Ladungen können mit Hilfe von Kontakten abgegriffen werden, die auf den Oberflächen des piezoelektrischen Materials angebracht sind. Die somit aus der Strömungsenergie der Luftströmung erzeugte elektrische Energie wird zum Betreiben des Sensormoduls und/oder zum Aufladen eines im Sensormodul ggf. vorgesehenen Energiespeichers, bspw. in Form eines Akkus oder eines Kondensators, verwendet.
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Anstelle der Fahne kann eine mit piezoelektrischem Material beschichtete oder aus einem solchen Material bestehende Membran verwendet werden, die angeregt durch die Luftströmung in Schwingungen versetzt wird, so dass auch hier eine elektrische Spannung erzeugt wird.
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Alternativ kann der Energiewandler nach prinzipieller Bauart eines Windrades auch einen Propeller und einen Generator umfassen, wobei der Propeller durch die Luftströmung angetrieben wird und seinerseits den Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.
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Der Halterahmen ist idealerweise derart ausgebildet, dass sowohl das Sensormodul als auch bspw. ein Filter am Halterahmen befestigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es von Vorteil, wenn mehrere, ggf. unterschiedliche Sensormodule oder sonstige Baugruppen am Halterahmen anbringbar sind, insbesondere nebeneinander.
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Vorzugsweise weist das Sensormodul einen Störkörper auf, der in Strömungsrichtung der Luftströmung gesehen vor dem Energiewandler, d. h. vor der Fahne, angeordnet ist und bewirkt, dass am Ort der Fahne Verwirbelungen entstehen oder vorhandene Verwirbelungen verstärkt werden, so dass das Flattern der Fahne verstärkt und die Erzeugung der elektrischen Energie ermöglicht bzw. sogar verbessert wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Ansicht mehrerer Räume eines Gebäudes mit einer Klimaanlage,
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2 eine Leitung des Leitungssystems der Klimaanlage mit einem Einschubsystem,
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3A, B einen Halterahmen mit Befestigungsvorrichtungen für Sensormodule,
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4 einen Halterahmen mit einer Befestigungsvorrichtung für ein Sensormodul und einen Filter und
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5A–D ein Sensormodul mit einem Energiewandler zum Umwandeln von Strömungsenergie einer Luftströmung in elektrische Energie.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Leitungssystem 10 einer Klimaanlage 1 eines Gebäudes mit mehreren Räumen 2. Die Klimaanlage 1 weist neben dem Leitungssystem 10 ein Gerät 20 zur Erzeugung und/oder Aufrechterhaltung eines gewünschten Raumklimas auf. Das Leitungssystem 10 umfasst Leitungen 11, 12, 13, die vom Gerät 20 zu Auslassöffnungen 14 der einzelnen Räume 2 führen. Die Leitungen 11, 12, 13 sind typischerweise Rohre mit zylindrischem oder rechteckigem Querschnitt.
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Das Gerät 20 ist ausgestaltet, um Luft bspw. mit einer bestimmten Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu versehen und diese Luft über die Leitungen 11, 12, 13 in die Räume 2 zu verbringen. Hierzu kann das Gerät 20 über einen Ventilator oder ein sonstiges Gebläse verfügen, so dass in dem Leitungssystem 10 eine Luftströmung 3 entsteht, die von dem Gerät 20 in die Räume 2 orientiert ist. Derartige Geräte 20 sind hinlänglich bekannt.
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In den Leitungen 11, 12, 13 des Leitungssystems 10 befinden sich, wie in der 2 exemplarisch für die Leitung 11 angedeutet, an verschiedenen Stellen Einschubsysteme 30, in die jeweils ein Halterahmen 40 eingesetzt werden kann, der bspw. einen Filter zum Filtern der Luftströmung 3 trägt (nicht dargestellt). Die Leitung 11 ist an der entsprechenden Stelle unterbrochen. Die beiden sich gegenüberliegenden Enden 11a, 11b der Leitung 11 sind über ein Zwischenstück 31 miteinander verbunden, wobei das Zwischenstück als Einschubsystem 30 ausgebildet ist. Das Einschubsystem 30 kann zur Aufnahme des Halterahmens 40 bspw. eine Führung oder eine Schiene sowie eine Verriegelung ggf. mit einer Dichtung aufweisen, die zum Einen dafür sorgen, dass der eingeschobene Halterahmen 40 immer richtig positioniert wird und an Ort und Stelle bleibt, und zum Anderen garantieren, dass die gesamte Einrichtung luftdicht ist, dass also die Luftströmung 3 am Ort des Einschubsystems 30 die Leitung 11 nicht verlassen kann. Ebenso verfügt der Halterahmen 40 bspw. über Schienen, mit deren Hilfe er weitestgehend ohne Spiel in das Einschubsystem einsetzbar ist, sowie ggf. über eine Dichtung.
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Der Halterahmen 40 weist einen rechteckigen oder runden Querschnitt auf. Idealerweise stimmen der Querschnitt der Leitung 11, 12, 13, in die der Halterahmen 40 eingesetzt wird, und der Querschnitt des Halterahmens 40 miteinander überein. Üblicherweise sind derartige Halterahmen 40 aus verzinktem Stahlblech hergestellt, weisen eine Dicke von 1,5 cm bis 10 cm auf und beinhalten einen Luftfilter. Der Halterahmen 40 ist derart in der Leitung 11, 12, 13 platziert, dass seine Querschnittsfläche senkrecht zur Luftströmung 3 orientiert ist, dass also bspw. ein an dem Halterahmen fixierter Filter senkrecht durchströmt wird.
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Die 3A zeigt einen Querschnitt eines Halterahmens 40 mit einer Sensorbefestigungseinrichtung 41 sowie ein Sensormodul 50, welches an der Sensorbefestigungseinrichtung 41 angebracht werden soll. Die 3B stellt eine weitere Ausführungsform eines Halterahmens 40 dar, der über mehrere Sensorbefestigungseinrichtungen 41 verfügt, wobei die vier in den Ecken des Halterahmens 40 sitzenden Sensorbefestigungseinrichtungen 41 bereits mit Sensormodulen 50 bestückt sind, bspw. zur Messung der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Strömungsgeschwindigkeit und der CO2-Konzentration der Luftströmung 3.
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Die Sensormodule 50 verfügen über Befestigungsvorrichtungen bspw. bestehend aus Laschen 57 mit Bohrungen 58 für Befestigungsschrauben. Dementsprechend weisen auch die Sensorbefestigungseinrichtungen 41 Bohrungen 43 für die Befestigungsschrauben auf. Andere Befestigungsmöglichkeiten für das Sensormodul 50 an der Sensorbefestigungseinrichtungen 41 wie bspw. Einschnapp-Halterungen aus Kunststoff, Rastnasen etc. sind natürlich ebenfalls anwendbar.
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Das Sensormodul 50 ist kabellos mit einer Steuerung/Regelung 21 des Gerätes 20 der Klimaanlage 1 verbunden und misst über einen Sensor 51 bspw. die Temperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit und ggf. weitere Parameter der Luftströmung 3. Die Messwerte werden über Funk an die Steuerung/Regelung 21 übertragen. Hierzu weist das Sensormodul 50 eine Antenne 52 auf. Weiterhin beinhaltet das Sensormodul 50 eine Elektronikbaugruppe 53, mit der bspw. die Messwerte des Sensors 51 vor der Übertragung an die Steuerung/Regelung 21 weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus dient die Elektronikbaugruppe 53 dazu, Daten, die bspw. von der Steuerung/Regelung 21 gesendet und über die Antenne 52 empfangen werden, auszuwerten und/oder weiter zu verarbeiten. Derartige Daten können bspw. dazu verwendet werden, um das Sensormodul 50 neu zu konfigurieren und/oder um Störungen zu beheben.
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Zur besseren Übersichtlichkeit sind der Sensor 51, die Antenne 52 und die Elektronikbaugruppe 53 als eine Einheit abgebildet. Es ist jedoch klar, dass die Anordnung der einzelnen Bauteile 51, 52, 53 im oder am Sensormodul 50 nicht an die Darstellung gebunden ist.
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Für diese und ggf. auch andere Anwendungen benötigt das Sensormodul 50 elektrische Energie. Das Sensormodul 50 ist daher als energieautarkes Sensormodul ausgebildet und bezieht die zum Betreiben des Sensormoduls 50 benötigte elektrische Energie zumindest zum Teil aus der Luftströmung 3. Hierzu weist das Sensormodul 50 einen Energiewandler 54 auf, der die Strömungsenergie der Luftströmung 3 in die elektrische Energie umwandelt. Der Energiewandler ist in den 3A, 3B und 4 lediglich durch einen Platzhalter „X” symbolisiert. Besonders geeignete Energiewandler 54 werden im Zusammenhang mit der 5 näher beschrieben.
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Um zu gewährleisten, dass der Energiewandler 54 in Kontakt mit der Luftströmung 3 kommt, weist die Sensorbefestigungseinrichtung 41 einen Durchbruch bzw. eine Öffnung 42 auf, die von der Luftströmung 3 durchströmt wird. Der Energiewandler 54 ist derart im Sensormodul 50 integriert, dass er von der die Öffnung 42 durchströmenden Luft in Bewegung versetzt wird. Hierzu kann das Sensormodul 50 bspw. ein Gehäuse 55 umfassen, das an zwei sich gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Gehäuseöffnung aufweist, wobei die Gehäuseöffnungen mittels eines Kanals 56 verbunden sind. In dem Kanal 56 ist der Energiewandler 54 untergebracht. Die die Öffnung 42 der Sensorbefestigungseinrichtung 41 durchströmende Luft strömt durch den Kanal 56 und bewirkt, dass der Energiewandler 54 in Bewegung versetzt wird, so dass er wie oben beschrieben elektrische Energie erzeugt. Andere Realisierungen sind natürlich ebenfalls denkbar, bspw. kann der Energiewandler 43 auch außen am Gehäuse 55 angebracht sein, so dass auf die Ausbildung des Kanals 56 verzichtet werden und das Gehäuse 55 geschlossen ausgebildet sein kann.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Halterahmen 40 sowohl über eine der bereits beschriebenen Sensorbefestigungseinrichtungen 41 als auch über eine oder mehrere Bauteilbefestigungseinrichtungen 44 verfügt, an denen andere Komponenten 60 befestigt werden können, die in der Luftströmung 3 platziert werden sollen. Bspw. können die oben erwähnten Filter 60 an den Bauteilbefestigungseinrichtungen 44 angebracht werden. Vorteilhafterweise werden die Sensormodule 50 und der Filter 60 in Strömungsrichtung gesehen hintereinander angebracht. Dabei kann der Filter 60 eine Aussparung oder einen Ausschnitt aufweisen, so dass die Öffnung 42 der Sensorbefestigungseinrichtung 41 nicht vom Filter 60 bedeckt wird. Alternativ und weniger aufwändig besteht die Möglichkeit, dass der Filter 60 entsprechend dem Querschnitt des Halterahmens 40 geformt ist und den kompletten, von der Luftströmung 3 durchströmten offenen Bereich des Halterahmens 40 bedeckt. In diesem Fall wäre auch die Öffnung 42 der Sensorbefestigungseinrichtung 41 vom Filter 60 bedeckt. Da der Filter 60 jedoch luftdurchlässig ist, ist die Funktion des Energiewandlers 54 des Sensormoduls 50 nur geringfügig beeinträchtigt.
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Die 5A zeigt einen Schnitt durch ein Sensormodul 50, wie es in der 5B dargestellt ist, entlang der Linie A-A. Der Energiewandler 54 ist in diesem Beispiel eine mit piezoelektrischem Material 71 beschichtete Fahne 70, die von der Luftströmung 3 zum Flattern oder Schwingen angeregt wird. Alternativ zur Beschichtung kann auch die komplette Fahne 70 aus piezoelektrischem Material 71 bestehen. Die hierbei auftretenden mechanischen Verformungen des piezoelektrischen Materials 71 bewirken aufgrund des piezoelektrischen Effekts, dass am piezoelektrischen Material über elektrische Kontakte 72, 73 eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann, die zur Versorgung des Sensormoduls 50 mit elektrischer Energie genutzt wird. Bspw. kann die Spannung über eine elektrische Leitung 74 der Elektronikbaugruppe 53 und/oder ggf. anderen elektrischen Verbrauchern des Sensormoduls 50 zugeführt werden. Die Fahne 70 ist an einem Störkörper 75 befestigt, der seinerseits in dem Kanal 56 befestigt ist. Der Störkörper 75 bewirkt, dass im Bereich der Fahne 70 Verwirbelungen und/oder Druckdifferenzen in der Luftströmung 3 erzeugt werden, die die Fahne 70 zum Flattern bringen.
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Anstelle einer Fahne kann auch eine Membran verwendet werden, die nicht nur am Störkörper sondern darüber hinaus an einer weiteren Stelle befestigt ist, so dass sie durch die Luftströmung in Schwingungen versetzt wird. Wie die Fahne besteht die Membran aus piezoelektrischem Material oder weist eine piezoelektrischen Beschichtung auf.
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Die 5C zeigt einen Schnitt durch ein Sensormodul 50, wie es in der 5D dargestellt ist, entlang der Linie B-B. In diesem Beispiel ist der Energiewandler 54 prinzipiell nach Bauart einer Windenergieanlage ausgebildet und weist einen Propeller 80 sowie einen elektrischen Generator 81 auf. Der Propeller 80 wird von der Luftströmung 3 in Rotation versetzt und treibt seinerseits über eine Welle (nicht dargestellt) den elektrischen Generator 81 an, der die elektrische Energie zum Betreiben des Sensormoduls 50 erzeugt. Der Generator ist wiederum über eine elektrische Leitung 82 bspw. mit der Elektronikbaugruppe 53 und/oder ggf. anderen elektrischen Verbrauchern des Sensormoduls 50 verbunden, um die erzeugte elektrische Energie an diese weiter zu leiten.
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Derartige Energiewandler sind detailliert in der Patentanmeldung „Energieautarke Kommunikationseinheit mit Generator zur Nutzung der Strömungsenergie einer Fluidströmung” beschrieben (
DE 10 2009 030 718 A1 mit innere Priorität vom 27.06.2008).
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Einschubsystem 30, das in eine Leitung 11, 12, 13 des Leitungssystems 10 als Zwischenstück integriert ist. Es ist jedoch ebenso denkbar, das Einschubsystem 30 an der Auslassöffnung 14 des Leitungssystems 10 zu platzieren. In analoger Weise kann auch an der Einlassöffnung des Leitungssystems 10 ein Einschubsystem vorgesehen sein.
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Die Erfindung ist nicht auf das Leitungssystem einer Klima- oder Belüftungsanlage beschränkt. Allgemein sind Leitungs-, Kanal- oder Rohrsysteme geeignet, in denen eine Fluidströmung vorhanden ist und die über Einschubsysteme für Halterahmen o. ä. verfügen.
