DE102011114246A1

DE102011114246A1 - Einrichtung zur Energieerzeugung für Durchflussmessgeräte und Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflussmessers

Info

Publication number: DE102011114246A1
Application number: DE201110114246
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gaugler; Axel Schmidt-Schoenian
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: DE102011114246B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieerzeugung für Durchflussmessgeräte für Fluid, z. B. Wasser, umfassend mindestens einen Energiewandler, mittels dem die in der Fluidleitung (4) vorherrschende Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelbar ist. Zur Lösung der Aufgabe, eine neuartige Vorrichtung zur Energieerzeugung für Fluid zur Verfügung zu stellen, welche einfach zu realisieren und vergleichweise niedrige Investitionskosten verursacht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als Energiewandler mindestens ein Piezoelement (1) vorgesehen ist, mindestens ein in der Fluidleitung befindlicher Strömungsstörkörper (3) vorgesehen ist, mittels dem durch gezielte Störung der in der Fluidleitung (4) vorherrschenden Fluidströmung Schwingungen in der Fluidströmung erzeugbar sind, die vom Piezoelement (1) in elektrische Energie umwandelbar sind und die vom Piezoelement (1) erzeugte elektrische Energie dem Durchflussmessgerät zum Betrieb desselben zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieerzeugung insbesondere für Durchflussmessgeräte für ein Fluid, wie z. B. Wasser, ein Wasser umfassendes Flüssigkeitsgemisch, oder ein Gas. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflussmessers unter Verwendung eines mindestens ein Piezoelement umfassenden Ultraschallwandlers zur Erzeugung eines eine Messstrecke durchlaufenden Ultraschallsignals.
Technologischer Hintergrund
Verbrauchsmessgeräte, wie z. B. Wasserzähler, werden in Fluidleitungen installiert und sind, da sie autark arbeiten sollen, zu einem hohen Prozentsatz mit Batterien oder Akkus ausgerüstet. Bei bestimmten Betriebsbedingungen, z. B. bei einem Funkbetrieb zur Fernauslese von Daten, ist die Lebensdauer der autarken Energiequelle, z. B. einer Batterie oder ein Akku, stark eingeschränkt. Dementsprechend müssen unter Berücksichtigung der Lebensdauer der Energiequelle Einschnitte in Bezug auf die Leistungsfähigkeit eines Messsystems (Messrate, Sendeleistung, Sendehäufigkeit) gemacht werden. Diese Leistungsfähigkeit müsste zwangsläufig reduziert werden, um den Energieverbrauch auf das notwendige Maß zu beschränken.
Nächstliegender Stand der Technik
Es gab bereits in der Vergangenheit Denkansätze in Bezug auf die Rückgewinnung von Energie durch Nutzung der Strömungskraft in Flüssigkeiten bzw. Gasen unter Verwendung von Turbinen. Derartige Konzepte waren jedoch bisher sehr kostenintensiv und daher nicht wettbewerbsfähig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Einrichtung zur Energieerzeugung für Durchflussmessgeräte für Fluid zur Verfügung zu stellen, welche einfach zu realisieren und vergleichsweise niedrige Investitionskosten verursacht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflussmessers zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, den Ultraschalldurchflussmesser bei unverändertem Wartungsaufwand mit erhöhter Leistung zu betreiben.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird in Bezug auf die beanspruchte Einrichtung zur Energieerzeugung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruch 1 gelöst. Durch die in der Fluidleitung befindlichen Strömungsstörkörper werden gezielt Schwingungen in der Fluidströmung in der Fluidleitung erzeugt. Diese Schwingungen regen wiederum das Piezoelement an, welches die Schwingungen in eine elektrische Energie umwandelt, die abgegriffen werden kann. Diese gewonnene elektrische Energie kann für die Benutzung eines Verbrauchers, z. B. eines Durchflussmessgerätes, zur Steigerung dessen Leistungsfähigkeit herangezogen werden. Sowohl die Strömungsstörkörper als auch das Piezoelement können in einfacher Art und Weise in der Fluidströmung positioniert werden, so dass vergleichsweise niedrige Installationskosten entstehen, Sofern bereits zu Messzwecken Piezoelemente vorhanden sind, können diese vorteilhaft zur Energiegewinnung herangezogen werden.
Zweckmäßigerweise ist der Strömungsstörkörper in geringem Abstand stromaufwärts vom Piezoelement in der Fluidleitung positioniert. Hierdurch kann die Strömungsenergie zur Erzeugung einer Schwingung in der Fluidströmung besonders gut genutzt werden.
Bei dem Strömungsstörkörper handelt es sich beispielsweise um einen Körper, der ein Strömungshindernis darstellt und Turbulenzen in der Strömung bedingt, so dass das in die Strömung eingebrachte Piezoelement durch die hierdurch erzeugten Schwingungen in Schwingung versetzt wird. Die Strömungsführung ist hierbei derart gestaltet, dass eine Schwingung in einem weiten Frequenzbereich möglich ist.
Die durch die aus der Schwingung der Fluidströmung gewonnene Energie kann dazu genutzt werden, die Leistungsfähigkeit des Durchflussmessgerätes zu steigern, beispielsweise in Form einer Erhöhung der Messrate, einer Erhöhung der Sendeleiste bzw. -häufigkeit bei Funk- bzw. Kommunikationsbetrieb usw..
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der Strömungsstörkörper und das Piezoelement als gemeinsame Baueinheit vorgesehen, die in die Fluidleitung eingesetzt wird. Entsprechend können in einem gemeinsamen Gehäuse oder of einem gemeinsamen Rahmen sowohl Strömungsstörkörper als auch Piezoelement angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Piezoelement bereits Bestandteil eines Ultraschallwandlers ist, der zur Erzeugung eines eine Messstrecke durchlaufenden Ultraschallsignals eines Ultraschalldurchflussmessers vorgesehen ist. Das Piezoelement wird hierbei vorteilhaft einer Mehrfachnutzung unterzogen, nämlich zum einen der Erzeugung eines Ultraschallsignals, welches eine Messstrecke durchläuft zum Empfang eines die Messstrecke durchlaufenden Ultraschallsignals sowie zum anderen zur Umwandlung der in der Fluidströmung zwangserzeugten Schwingungen in elektrische Energie.
Das Piezoelement ist zweckmäßigerweise mit einem Energiespeicher in elektrischer Verbindung, so dass die gewonnene elektrische Energie zwischengespeichert wird und bei Bedarf im elektrischen Energieverbrauch des Systems zur Verfügung steht. Hierbei kann vorteilhafterweise eine wirksame Verlängerung der Lebensdauer der Batterien bzw. Akkus erreicht werden.
Zweckmaßigerweise ist das Piezoelement derart ausgestaltet, dimensioniert und/oder angeordnet, dass es mit niedrigen Frequenzen, vorzugsweise mit Frequenzen im Bereich von weniger als 200 Hz, vorzugsweise weniger als 150 Hz, vorzugsweise weniger als 100 Hz anregbar ist. Hieraus resultiert ein verbesserter Wirkungsgrad der Rückgewinnung der elektrischen Energie aus der Strömungsschwingung.
Zweckmäßigerweise ist die Form und/oder Dimensionierung und/oder Anordnung des Strömungskörpers derart, dass die durch ihn angeregten Schwingungen im Fluid das Piezoelement in einen besonderen Schwingungsmode desselben anregen.
Alternativ oder zusätzlich kann auch das Piezoelement derart geformt und/oder dimensioniert und/oder angeordnet sein, dass die in der Fluidströmung erzeugten Schwingungen einen festgelegten Schwingungsmode desselben anregen.
Beim Schwingungsmode handelt es sich vorzugsweise um den Biegemode. Die in der Fluidströmung erzeugte Schwingung regt daher das Piezoelement hierbei zu einer Schwingung entsprechend einer Durchbiegung an. Dieser Schwingungsmode ist besonders gut für niedrige Frequenzen geeignet.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Erfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 8 gelöst. Auch hier besteht der Vorteil, dass der Ultraschalldurchflussmesser mit höherer Leistungsfähigkeit betrieben werden kann und die Lebensdauer seiner Energiequelle verlängert werden kann. Als Folge davon reduzieren sich auch die Instandhaltungs- sowie Wartungskosten, da Batterien nicht so häufig ausgetauscht werden müssen.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Energieerzeugung;
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Energieerzeugung sowie
3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Energieerzeugung.
Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Fluidleitung, z. B. eine Wasserleitung eines Wasserleitungsnetzes. F bezeichnet die Fluidströmung (in der Fluidleitung), die in der Ausgestaltung nach 1 von der linken Seite in 1 sich durch die Fluidleitung 4 nach rechts bewegt. Im Bereich der Wandung der Fluidleitung 4 ist ein Piezoelement 1 eingesetzt, welches in der in 1 dargestellten Ausgestaltung in Längsrichtung zur Fluidleitung 4 ausgerichtet ist. Das Piezoelement ist auf seinen beiden Hauptflächen mit je einer in 1 nicht dargestellten Kontaktelektrode versehen und mittels elektrischer Leitungsmittel 7 mit einem Energiespeicher 2 bzw. einer Elektronik verbunden. Der Energiespeicher 2 bzw. die Elektronik steht mit einem Messgerät 6 oder einem sonstigen Verbraucher in Verbindung. Bei dem Energiespeicher 2 handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Kondensator oder dergleichen, welcher dazu in der Lage ist, elektrische Energie über einen gewissen Zeitraum hin zu speichern, so dass die Energie bei Bedarf abgezogen werden kann.
Stromaufwärts zum Piezoelement 1 gelegen befindet sich mindestens ein Strömungsstörkörper 3, der in den Strömungsquerschnitt der Fluidleitung 4 hineinragt und dazu fahrt, dass die in der Fluidleitung 4 ankommende laminare Strömung stromab zu dem Strömungsstörkörper Turbulenzen ausbildet und hierdurch Schwingungen in der Strömung erzeugt werden, welche wiederum das Piezoelement 1 zu einer Schwingung anregen. Die Schwingungen des Piezoelements 1 werden vom Piezoelement 1 in elektrische Energie umgewandelt, die über (nicht dargestellte) Kontaktelektroden an dem Piezoelement 1 abgegriffen werden kann und dem Energiespeicher 2 zugeführt wird.
Die in dem Energiespeicher 2 gespeicherte Energie wird bei Bedarf von dem Messgerät 6 abgerufen, indem beispielsweise der elektrische Kondensator bei Energiebedarf des Messgeräts 6 entladen wird und die hierdurch frei werdende Energie zum Betrieb des Messgeräts 6 (zusätzlich) verwendet werden kann. Dies führt zu einem reduzierten Verbrauch an elektrischer Energie durch das Messgerät und damit zu einer verlängerten Lebensdauer der (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Batterie.
Die in 1 dargestellte Anordnung des Piezoelements entspricht der Anordnung der Piezoelemente eines Ultraschalldurchflussmessers bei einer umgelenkten, z. B. U-förmigen, Messstrecke. Gemäß einer besonders zweckmäßigen Idee der vorliegenden Erfindung kann das Piezoelement eines Ultraschaldurchflussmessgerätes gleichzeitig zur Energieerzeugung nach dem vorstehenden Prinzip herangezogen werden. Das Ultraschallmessgerät ist lediglich hinsichtlich eines Energiespeichers, der mit dem Piezoelement des Ultraschallwandlers elektrisch verbunden sein muss, zu ergänzen. Es sind somit keine aufwendigen Umbaumaßnahmen oder Mehrinstallationen notwendig.
Was den Strömungsstörkörper 3 anbelangt, kann dieser ebenfalls ohne großen Aufwand in die Fluidleitung 4 eingebracht werden. Die Ausgestaltung nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 lediglich darin, dass das Piezoelement 1 in seiner Längserstreckung senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
Bei der Ausgestaltung nach 3 ist das Piezoelement 1 sowie der Strömungsstörkörper 3 als gemeinsames Bauteil 5 vorgesehen, welches ein gemeinsames Gehäuse oder zumindest einen gemeinsamen Träger für das Piezoelement 1 sowie den Strömungsstörkörper 3 umfassen kann. Das Bauteil 5 wird durch eine (nicht dargestellte) Öffnung in der Fluidleitung 4 in diese eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn mittels des Strömungsstörkörpers 3 niederfrequente Schwingungen in der Fluidströmung erzeugt werden, d. h. Schwingungen im Bereich von kleiner 200 Hz, vorzugsweise kleiner 150 Hz, besonders vorzugsweise kleiner 100 Hz.
Das Piezoelement ist insbesondere bei Ultraschallwandlern derart geformt und/oder dimensioniert, dass es durch derart niedrige Schwingungen im Bereich eines besonderen Schwingungsmodes, z. B. im Bereich von dessen Biegemode, angeregt werden kann. Beispielsweise ist das Piezoelement 1 aus einem dünnen Plättchen aufgebaut, welches bei Ultraschallwandlern entweder parallel oder senkrecht zur Fluidströmung orientiert ist. in diesem Fall kann das Plättchen in seinem Biegemode durch die niederfrequenten Schwingungen besonders gut angeregt werden.
Als Strömungsstörkörper 3 können beispielsweise mehrere (nicht dargestellte) größerflächige, schräggestellte Leitrippen vorgesehen sein, durch die die Fluidströmung in eine niederfrequente Schwingung versetzt werden kann.
Wenn es sich bei dem Piezoelement um einen Ultraschallwandler eines Ultraschalldurchflussmessers handelt, kann in Messpausen des Ultraschallwandlers, also zu Zeiten, wenn der Ultraschallwandler ohnehin kein Ultraschallsignal in das Medium abgibt bzw. ein Ultraschallmedium aus dem Medium empfängt, der Ultraschallwandler zur Aufnahme der Schwingungen im Fluid und zur daraus resultierenden Energieerzeugung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auf einfache und kostengünstige Weise, eine Energierückgewinnung für autark betriebene Durchflussmessgeräte, aber auch andere Geräte, zur Verfügung zu stellen. Diese Energierückgewinnung erlaubt es, die Lebensdauer der Batterien für solche Geräte zu verlängern und die Leistungsfähigkeit des Gerätes bei gleichbleibender Batterieverweilzeit zu erhöhen.
Bezugszeichenliste

1: Piezoelement
2: Energiespeicher/Elektronik
3: Strömungsstörkörper
4: Fluidleitung
5: Baueinheit
6: Messgerät/Verbraucher
7: elektrische Leitungsmittel

Claims

Einrichtung zur Energieerzeugung für Durchflussmessgeräte für Fluid umfassend: mindestens einen Energiewandler, mittels dem die in einer Fluidleitung (4) vorherrschende Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiewandler mindestens ein Piezoelement (1) vorgesehen ist, mindestens ein in der Fluidleitung befindlicher Strömungsstörkörper (3) vorgesehen ist, mittels dem durch gezielte Störung der in der Fluidleitung (4) vorherrschenden Fluidströmung Schwingungen in der Fluidströmung erzeugbar sind, die vom Piezoelement (1) in elektrische Energie umwandelbar sind und die vom Piezoelement (1) erzeugte elektrische Energie dem Durchflussmessgerät zum Betrieb desselben zuführbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsstörkörper (3) stromaufwärts zum Piezoelement (1) in der Fluidleitung (4) positioniert ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsstörkörper (3) und das Piezoelement (1) als gemeinsame Baueinheit (5) ausgebildet sind.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) Bestandteil eines Ultraschallwandlers ist, der zur Erzeugung eines eine Messstrecke durchlaufenden Ultraschallsignals eines Ultraschalldurchflussmessers vorgesehen ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) mit einem Energiespeicher (2) in elektrischer Verbindung steht.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (2) derart ausgestaltet und/oder dimensioniert und/oder angeordnet ist, dass es mit niedrigen Frequenzen, vorzugsweise mit Frequenzen von weniger als 200 Hz, vorzugsweise weniger als 150 Hz, vorzugsweise weniger als 100 Hz, anregbar ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsstörkörper (3) derart geformt und/oder angeordnet ist, dass durch die in der Fluidströmung erzeugten Schwingungen ein festgelegter Schwingungsmode des Piezoelements (2), insbesondere der Biegemode oder der Dickenschwingungsmode, anregbar ist.
Verfahren zum Betrieb eines Ultraschalldurchflussmessers unter Verendung eines mindestens ein Piezoelement umfassenden Ultraschallwandlers zur Erzeugung eines eine Messstrecke durchlaufenden Ultraschallsignals, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement des Ultraschallwandlers in Messpausen in der Fluidströmung vorherrschende Schwingungen in elektrische Energie umwandelt und die hierdurch gewonnene elektrische Energie für den Betrieb des Ultraschalldurchflussmessers genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene elektrische Energie gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Piezoelements in der Fluidströmung mit mindestens einem Strömungsstörkörper gezielt Strömungsstörungen, insbesondere Strömungsverwirbelungen erzeugt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und/oder Dimensionierung des Piezoelements auf den Frequenzbereich der durch die Strömungsstörungen erzeugten Schwingungen angepasst ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und/oder Dimensionierung und/oder Anordnung des Strömungsstärkörpers auf einen besonderen Schwingungsmode des Piezoelements angepasst ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der mittels der Strömungsstörungen erzeugten Schwingungen in der Fluidströmung kleiner als 200 Hz, vorzugsweise kleiner als 150 Hz, vorzugsweise kleiner als 100 Hz ist.