DE102014107982A1

DE102014107982A1 - Durchflussmessvorrichtung und Verfahren zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr oder einen Kanal

Info

Publication number: DE102014107982A1
Application number: DE102014107982.5A
Authority: DE
Inventors: Alfred Schöpf; Harald Hartmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Juergen Kuhn und Michael Kuhn Grundstuecksverw De
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: DE102014107982B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung (10) zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr (12) oder einen Kanal (14), umfassend eine Querschnittsverengungseinrichtung (16) zur Verengung eines durchströmbaren Querschnitts des Rohrs (12) oder Kanals (14) und eine Pegelstandsmesseinrichtung (20) zur Erfassung eines Wasserpegels in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung (16). Es wird vorgeschlagen, dass die Querschnittsverengungseinrichtung (16) eine Verstelleinheit (22) zur adaptiven Anpassung an einen Innenquerschnitt des Rohres (12) oder des Kanals (14) umfasst. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr (12) oder einen Kanal (14) unter Verwendung einer vorgenannten Durchflussmessvorrichtung (10) vorgeschlagen, wobei temporär und insbesondere werkzeugfrei die Durchflussmessvorrichtung (10) in ein Abwasserrohr (12) oder einen Abwasserkanal (14) zur Messung eines Abwasseraufkommens über eine vorbestimmbare Zeit eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussmessvorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr oder einen Kanal. Die Durchflussmessvorrichtung umfasst eine Querschnittsverengungseinrichtung zur Verengung eines durchströmbaren Querschnitts des Rohres oder Kanals und eine Pegelstandsmessvorrichtung zur Erfassung eines Wasserpegels in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung, um nach dem Prinzip einer Venturidurchflussmessung die Wasserdurchflussmenge zu bestimmen.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Wasserdurchflussmessvorrichtungen bekannt, die in der Regel baulich in einem Rohr oder einem Kanal integriert sind, und die einen Flüssigkeitsstroms durch das Rohr oder den Kanal über eine gegebene Zeit bestimmen können. Insbesondere in der Abwasserwirtschaft ist die Bestimmung einer Abwassermenge durch ein Rohr oder einen Kanal wichtig für die Abschätzung der Kapazität eines Entwässerungssystems sowie der Dimensionierung von Kläranlagen und Drainagesystemen.
So dient die Abwassermessung zum einen zur Planung und Installation von neuen Abwassersystemen, zum anderen zur Berechnung von Abwassergebühren. In vielen Fällen wird eine sogenannte Venturidurchflussmessung eingesetzt, bei der zur Bestimmung einer Durchflussmenge durch eine Querschnittsverengung bzw. durch ein Venturikanal genutzt wird. Dieser bewirkt eine seitliche Einschnürung des Kanalquerschnitts und gegebenenfalls eine Anhöhung des Kanalbodens. Durch die Wasserströmung verändert sich die Wasserspiegelhöhe vor dem Kanaleinlauf bedingt durch die Ein- und Ablaufmenge, wobei eine Durchflussmenge einer eindeutigen Funktion der Stauhöhe zuordenbar ist. Die Verengung des Durchflussquerschnitts verursacht eine Wasserstandsanhebung, die in einem festen und mathematisch definierbaren Verhältnis zur Wasserdurchflussmenge liegt.
Solche, auf dem Venturidurchflussmessungsprinzip aufbauenden Durchflussmesssysteme sind insbesondere für Durchflussmengen von 10 dm³/s bis 5 m³/s geeignet, und somit ausreichend, übliche Abflusswassermengen in Kanalsystemen einzelner Gebäude als auch ganzer Stadtteile und Gemeinden messen zu können.
In der Regel werden in Abwassersystemen festinstallierte Systeme, insbesondere Messwehre oder Venturi-Kanaleinschnürungen baulich fest integriert. Diese müssen bereits bei der Installation des Abwassersystems vorgesehen werden, und erfordern bei einem nachträglichen Einbau einen hohen konstruktiven Aufwand, wobei diese dauerhaft eine Einschnürung im Wassersystem bilden und langfristig zu Verstopfung oder Blockade des Rohres bzw. Kanals führen können.
In Zeiten einer variierenden Bevölkerungszahl ist eine kurz-, mittel- und langfristige Planung des Eintwässerungssystems für Kommunen und städtischen Verwaltung von großer Bedeutung. Hierbei ist es wünschenswert, bedarfsweise und kurzfristig die Menge von Abwässern messen zu können, um Rückschlüsse auf eine erforderliche Infrastruktur im Abwassermanagement zu treffen. Hierbei sind Durchflussmesssysteme wünschenswert, die ohne großen Aufwand temporär eingesetzt werden können, um zuverlässig über eine kurze bis mittelfristige Periode, wie mehrere Wochen bis Monate, eine Durchflussmenge von Abwasser feststellen zu können.
Hierzu ist beispielsweise aus der DE 29 703 101 U eine Durchflussmessvorrichtung bekannt, die in teilgefüllte Rohre oder Kanäle eingebracht werden kann, und die ein Rohr umfasst, in dem ein magnetisch induktiver Durchflusssensor integriert ist. Ein derartiges System kann temporär in ein bereits existierendes Abwassersystem eingebracht werden. Allerdings kann dieses System nur in einem geschlossenen Rohr eingesetzt werden, wobei mittels Druckluftkissen eine Abdichtung gegen das Rohr vorgenommen wird. Offene Kanäle können mit diesem System nicht vermessen werden, auch treten Probleme bei sehr stark verschmutzten Abwässern auf, da dies zu einer Verstopfung des Messsystems führen kann. Die Anpassbarkeit an verschiedene Rohrquerschnitte ist aufgrund der baulichen Einschränkung auf einen festen Durchflussquerschnitts des Rohres begrenzt, auch besteht bei längerfristigem Einsatz die Gefahr der Verstopfung durch Festbestandteile im Abwasser.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Durchflussmessvorrichtung und ein Durchflussmessverfahren vorzuschlagen, das leicht und einfach zu installieren, sowohl kurzfristig als auch über mehrere Monate oder auch Jahre universal eingesetzt werden kann, und das große Abwasserdurchflussmengen mit hohem Verschmutzungsgrad zuverlässig messen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Durchflussmessvorrichtung und ein Messverfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine Durchflussmessvorrichtung zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr oder einen Kanal vorgeschlagen, der eine Querschnittsverengungseinrichtung zur Verengung eines durchströmbaren Querschnitts des Rohres oder Kanals und eine Pegelstandsmesseinrichtung zur Erfassung eines Wasserpegels in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung umfasst.
Die auf dem Venturi-Durchflussmessprinzip beruhende Durchflussmessvorrichtung umfasst eine Querschnittsverengungseinrichtung, die eine Verstelleinheit zur adaptiven Anpassung an einen Innenquerschnitt des Rohres oder des Kanals umfasst. Die Querschnittsverengungseinrichtung ist somit ausgelegt, mittels einer Verstelleinheit an unterschiedliche Querschnitte des Rohres oder des Kanals angepasst zu werden. In der Regel umfasst die Querschnittsverengungseinrichtung hierzu zumindest zwei gegeneinander relativ verschiebliche Teile, die sich durch die Verstelleinheit gegeneinander verschieben oder verschwenken lassen, um gegen eine Rohr- oder Kanalaußenwand gepresst zu werden, um somit temporär in das Rohr oder den Kanal eingebracht zu werden und eine Querschnittsverengung zu bewirken. Somit ergibt sich die Möglichkeit, Durchflussmessvorrichtungen an verschiedene Rohr- oder Kanalquerschnitte anzupassen. Des Weiteren kann die Querschnittsverengungseinrichtung temporär in dem Rohr oder Kanal eingebracht werden, und nach der Erfassung der Wasserdurchflussmenge über einen gewissen Zeitbereich sehr einfach wieder entfernt werden, so dass keine dauerhafte Beeinträchtigung der Wasserdurchflussmenge im Rohr oder Kanal auftritt. Die Querschnittsverengungseinrichtung staut Wasser auf, und da die Querschnittsverengungsgeometrie grundsätzlich bekannt ist, kann durch eine mathematische Korrelationsfunktion zwischen einer Wasserpegelhöhe, die von einer Pegelstandsmesseinrichtung in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung aufgenommen wird und der bekannten Geometrie der Querschnittsverengungseinrichtung Rückschluss auf die Wasserdurchflussmenge gezogen werden. Selbst bei starker Verunreinigung oder Fremdkörpern im Abwasser können diese ungehindert durch die Querschnittsverengungseinrichtung fließen, und es kann ein Wasserdurchfluss durch Rohre oder Kanäle mit verschiedensten Querschnitten mit einer einzigen Durchflussmessvorrichtung bestimmt werden.
Die Pegelstandsmesseinrichtung bestimmt den Pegelstand des aufgestauten Wassers vor der Querschnittsverengungseinrichtung. Dabei ist die Pegelstandsmesseinrichtung in einer definierten Position vor der Querschnittsverengung auszurichten. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Pegelstandsmesseinrichtung mit der Querschnittsverengungseinrichtung durch ein Haltegestänge verbunden sein, um die Pegelstandsmesseinrichtung in einem vorbestimmbaren Abstand in Position davor über der Querschnittsverengung auszurichten. Die Pegelstandsmesseinrichtung dient dazu, die Höhe eines aufgestauten Wasserpegels vor der Querschnittsverengungseinrichtung zu messen. Damit eine exakte Wasserdurchflussmenge bestimmt werden kann, ist es notwendig, die Pegelstandsmesseinrichtung in einer exakten Position und Entfernung vor der Querschnittsverengungseinrichtung einzurichten, und beispielsweise durch ein Eichverfahren die Korrelation zwischen dem Wasserstandspegel und der Durchflussmenge zu ermitteln. Hierzu bietet es sich an, durch ein starres Haltegestänge, das die Querschnittsverengungseinrichtung mit der Pegelstandsmesseinrichtung verbindet, eine definierte Positionierung vorzunehmen, um reproduzierbare Wasserdurchflussmengen mit einer hohen Genauigkeit ermitteln zu können. Das Haltegestänge kann mit der Querschnittsverengungseinrichtung insbesondere mechanisch verbindbar- und lösbar, z.B. durch eine Schraub- oder Klemmverbindung verbindbar sein, um bei engen baulichen Gegebenheiten zunächst die Querschnittsverengungseinrichtung in das Rohr bzw. den Kanal einbringen zu können, und anschließend die Pegelstandsmesseinrichtung in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung durch das Haltegestänge auszurichten.
Die Pegelstandsmesseinrichtung kann auf einem beliebigen Messprinzip, insbesondere Schwimmermessverfahren, Kapazitätsmessverfahren, Drucksensormessverfahren oder einem berührungsloses Abstandsmessverfahren beruhen, um den Wasserpegel vor der Querschnittsverengungseinrichtung bestimmen zu können. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Pegelstandsmesseinrichtung einen berührungslos messenden Abstandssensor, insbesondere einen Radarsensor, einen Ultraschallsensor oder einen optischen Wasserspiegelhöhensensor umfasst. Durch einen berührungslos messenden Abstandssensor, insbesondere Radar oder Ultraschall, oder beispielsweise einem optischen Laserabstandsmessverfahren, wie beispielsweise Laserdopplerabstandsmessverfahren kann selbst bei stärksten Verschmutzungen die Pegelhöhe des aufgestauten Abwassers vor der Querschnittsverengungseinrichtung bestimmt und dadurch die Wasserdurchflussmenge errechnet werden. Es wird kein Messstab oder Messsensor in das strömende Wasser eingebracht, so dass blockadefrei und ohne größere Störung des Wasserlaufs über eine längere Zeit die Wasserdurchflussmenge bestimmt werden kann. Insbesondere bei schwer zugänglichen Kanal- oder Rohrbereichen minimiert sich hierdurch der Wartungsaufwand, so dass mit geringen Kosten die Wasserdurchflussmenge ermittelt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Querschnittsverengungseinrichtung zumindest ein volumenveränderliches Umfangselement, insbesondere ein elastisches oder ein aufblasbares Dichtungselement, aufweisen, das im Gebrauchszustand durch Einströmen eines Fluids, insbesondere eines Druckgases, eine zumindest abschnittsweise Abdichtung der Querschnittsverengungseinrichtung gegenüber der Innenwandung des Rohres oder des Kanals bewirkt. Durch die Verstelleinheit wird die Querschnittsverengungseinrichtung gegenüber der Innenwand des Rohres oder des Kanals verpresst, um temporär eingebaut und an verschiedene Querschnitte angepasst werden zu können. Zur Verbesserung der Abdichtung kann es vorteilhaft sein, dass ein Dichtungselement beispielsweise eine Gummidichtungslippe oder bevorzugt ein aufblasbares Dichtungselement, das durch ein Fluid, insbesondere Druckgas aufgeblasen werden kann, eine verbesserte Abdichtung gegenüber der Rohr- oder Kanalwand erreichen kann. Hierdurch wird ein Umströmen der Querschnittsverengungseinrichtung verhindert, so dass die Messungsgenauigkeit verbessert wird. Durch ein Dichtungselement kann die Größenvariation des Rohres oder Kanals deutlich erhöht werden, bei der die Querschnittsverengungseinrichtung eingesetzt werden kann, da das Dichtungselement ermöglicht, den Kanal bzw. das Rohr auch bei sehr großen Querschnitten abzudichten. Die Verstelleinheit bewirkt eine Veränderung des Querschnitts der Querschnittsverengungseinrichtung, so dass durch das aufblasbare Dichtungselement die Variation der Querschnittsverengung durch die Querschnittsverengungseinrichtung gering bleiben kann, und große Unterschiede im Querschnitt von Rohren oder Kanälen durch das Dichtungselement überbrückt werden können. Hierdurch ergibt sich ein deutlich verbessertes Durchflussmessverfahren. Ist das Dichtungselement beispielsweise ein mit Wasser, Luft oder Kohlendioxid aufblasbares elastisches Gummielement, so können große Querschnittsbereiche zuverlässig abgedichtet werden, wobei die Kanaleinschnürung im Wesentlichen beibehalten werden kann, und somit eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Querschnittsverengungseinrichtung zumindest zwei im Abstand zueinander verstellbare Volumenkörper umfassen, die mittels einer insbesondere werkzeugfrei betätigbaren Verstelleinheit im Gebrauchszustand gegen eine Innenwandung des Rohres oder des Kanals verpressbar sind, wobei im Abstandsbereich zwischen den Volumenkörpern eine Querschnittsverengung definiert ist. In dieser Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Querschnittsverengungseinrichtung zumindest zwei gegeneinander verstellbare Volumenkörper umfasst, die mittels der Verstelleinheit in ihrem Abstand voneinander variiert werden kann, um sie somit gegen eine Innenwandung des Rohres oder Kanals zu verpressen. Hierdurch kann die Querschnittsverengungseinrichtung im Kanal fest montiert werden, wobei durch die insbesondere werkzeugfreie betätigbare Verstelleinheit eine leichte Montage und Demontage der Querschnittsverengungseinrichtung erfolgen kann. Die Durchflussmessvorrichtung kann somit händisch in ein Rohr oder einen Kanal und bevorzugt ohne Hilfe zusätzlichen Werkzeugs eingebracht und wieder entfernt werden, wobei durch die werkzeugfreie betätigbare Verstelleinheit eine einfache Montage und Demontage möglich ist. Die Volumenkörper definieren den Querschnittsverengungsbereich, wobei die Form der Volumenkörper an ihrer Außenwandung entsprechend der Form des Rohres oder Kanals angepasst ist und deren Innenwandungsform charakteristisch für die Querschnittsverengung und somit die Korrelation zwischen Wasserstandsmenge und Wasserdurchflussmenge bestimmt. Die Verstelleinheit umfasst in der Regel in Richtung des Verengungsbereichs ragende Stab- oder balkenförmige Elemente, die mittels eines Verspannmittels gegeneinander verfahren werden können, und die die Volumenkörper gegen die Innenwand des Rohres oder Kanals verpressen. So sind z.B. Gewindestangen denkbar, die senkrecht auf einer Innenwand eines Volumenkörpers befestigt sind und die von der Innenwand des Volumenkörpers in Richtung der gegenüberliegenden Innenwand des zugeordneten Volumenkörpers gerichtet sind, wobei mittels eines Spannschlosses zwei Volumenkörper im Rohr bzw. Kanal gegeneinander verpresst werden können.
Entsprechend des vorgenannten Ausführungsbeispiels ist es weiterhin vorteilhaft, dass jeder Volumenkörper zumindest in Anströmrichtung eine abgewinkelte Anströmflanke zur Unterdrückung von Verwirbelungen aufweist. Sind die Volumenkörper derart ausgeformt, dass sie in Anströmrichtung eine schräge Anströmflanke aufweisen, so kann eine möglichst laminare Strömung ohne Verwirbelung erreicht werden, so dass Messfehler durch Turbulenzen unterdrückt werden können. Auch kann bei variierenden Wasserständen eine Verstopfung durch Fremdkörper vermieden werden und eine Behinderung des Abflusses unterdrückt werden. Eine Anströmflanke verringert eine Störanfälligkeit und erhöht die Genauigkeit der Durchflussmessvorrichtung.
Entsprechend eines der vorhergehenden Ausführungsbeispiele kann die Verstelleinheit ein Spannschloss, ein mechanisch oder hydraulisch verstellbarer Zylinder oder ein Zahnstangengetriebe sein, das ein manuelles Betätigungsmittel umfasst. Insbesondere durch ein Spannschloss lässt sich durch ein einfaches mechanisches Verdrehen des Spannschlosses zwei mit den Volumenkörpern einseitig verbundenen Gewindestangen gegeneinander bewegen, die die Volumenkörper gegen die Außenwand des Rohres oder Kanals pressen können. Es können auch zwei oder mehrere Spannschlösser an einem zentralen, sternförmigen Gewindeelement angeordnet sein, um drei oder mehrere Volumenkörper in einem Rohr gegeneinandner zu verpressen. Alternativ kann durch einen mechanisch oder hydraulisch verstellbaren Zylinder beispielsweise durch eine Pumpvorrichtung, eine Getriebevorrichtung oder eine Gelenkvorrichtung ein mechanisches Verpressen der zwei oder mehreren Volumenkörper erfolgen. Ein Zahnstangengetriebe ermöglicht, insbesondere durch Zwischenschalten eines Zahnradgetriebes, mit hoher Kraft die zwei oder mehrere Volumenkörper gegen die Außenwand eines Kanals oder Rohres zu verpressen. Durch die vorgenannten Verstellmittel können werkzeugfrei und ohne großen Aufwand zwei oder mehrere Volumenkörper der Querschnittsverengungseinrichtung im Rohr eingebracht und fixiert werden, um die Querschnittsverengung zu definieren. Die Verstelleinheit kann bevorzugt oberhalb eines erwartbaren Wasserpegels des Abwasserstroms in der Querschnittsverengungseinrichtung angeordnet sein, um ein Verfangen oder Festsetzen von Fremdkörpern zu vermeiden.
Umfasst die Querschnittsverengungseinrichtung zwei oder mehrere Volumenkörper, so bietet es sich weiterhin an, dass die Verstelleinheit ein Messmittel zur Bestimmung der Größe der Querschnittsverengung umfasst. Insbesondere bei großen Querschnittsvariationen verändert sich durch Verpressen der Volumenkörper die Querschnittsverengung, die bei der Korrelation zwischen Wasserstandshöhe vor der Querschnittsverengung zur Wasserdurchflussmenge eine entscheidende Rolle spielt. Um die Größe der Querschnittsverengung bei variierenden Rohr- oder Kanalquerschnitten feststellen zu können, bietet es sich an, dass die Verstelleinheit ein Messmittel, insbesondere eine metrische Skala des Abstands bzw. Verstellwegs zwischen den beiden Volumenkörpern umfasst, um somit einen Rückschluss auf die Größe der Querschnittsverengung zu ermöglichen. Auf Basis der Größe der Querschnittsverengung kann die Korrelation zwischen Wasserstandshöhe und Durchflussmenge leicht angepasst werden, um die Durchflussmenge exakt zu bestimmen. Als Messmittel kann eine mechanische Skala oder ein elektronisches Erfassungssystem zur Erfassung der Querschnittsverengung bzw. des Abstands der Volumenkörper sein.
Wiederum aufbauend auf eines der vorherigen Ausführungsbeispiele kann es vorteilhaft sein, dass der Volumenkörper parallel zur Wasserströmrichtung eine zur Innenwand formkomplementär gekrümmte oder ebene äußere Wandungsfläche und eine zur Querschnittsverengung hin orientierte ebene innere Wandungsfläche umfasst, wobei die äußere Wandungsfläche und die innere Wandungsfläche zumindest in Anströmrichtung durch eine in Flussrichtung abgewinkelte Anströmflanke miteinander verbunden sind. Insbesondere bei Rohrwandungen weist der Volumenkörper einen äußeren, entsprechend der Rohrwandung kreisförmig oder elliptisch gekrümmten Außenwandungsverlauf auf, und eine entsprechend in Richtung der Querschnittsverengung verlaufende planare und ebene Wandungsfläche auf, so dass ein rechtwinkliger oder abgewinkelter Querschnittsverengungskanal gebildet wird. Die äußere Wandung soll vorzugsweise beim Verpressen gegen die Außenwand eine Abdichtung bewirken, so dass keine Flüssigkeit an der Querschnittsverengung vorbei durch die Querschnittsverengungseinrichtung fließen kann. Die abgewinkelte Anströmflanke verbindet die äußere Wandungsfläche und die innere Wandungsfläche und ermöglicht ein wirbelfreies Führen der Flüssigkeit durch die Querschnittsverengung und eine Durchfürung im Abwasser enthaltener Feststoffe und Fremdkörper. Es werden somit Volumenkörper mit einer planaren äußeren und einer gekrümmten äußeren Wandungsfläche unterschieden, die für den Einsatz in Rohren bzw. Kanälen mit rechteckigen oder runden und elliptischen Querschnittsformen angepasst werden. Hierdurch wird eine gute Abdichtung und eine genaue Definition der Querschnittsverengung ermöglicht. Somit ist ein Baukastensystem denkbar, das eine Pegelstandsmesseinrichtung und eine Querschnittsverengungseinrichtung umfasst, die aus mehreren verschieden geformten Volumenkörpern zusammengestellt werden kann.
Vorteilhafterweise ist die Oberfläche des Volumenkörpers aus Metall, insbesondere Edelstahl oder Aluminium, hergestellt und das Haltegestänge ist bevorzugt werkzeugfrei an einem der Volumenkörper befestigbar. Durch Ausbildung des Volumenkörpers aus Metall kann insbesondere bei einem rauen Einsatz eine hohe Langlebigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Abnutzung erreicht werden. Hierdurch wird die Lebensdauer erhöht und selbst unter schwierigen mechanischen Gegebenheiten und bei hoher Fremdkörperbelastung des Abwassers und hohen Fliessgeschwindigkeiten und Wassermengen kann die Durchflussmessvorrichtung eingesetzt, installiert und wieder entfernt werden. Ist das Haltegestänge an dem Volumenkörper, insbesondere werkzeugfrei befestigbar, kann auch bei kleinem Bauraum zunächst die Volumenkörper der Querschnittsverengungseinrichtung eingebracht und anschließend durch das Haltegestänge die Pegelstandsmesseinrichtung angefügt werden. Hierdurch ist selbst in kleinen Gruben- und Schachtzugängen eine Installation der Durchflussmessvorrichtung möglich, da diese mehrteilig ausgeführt und in Einzelteilen, insbesondere zunächst ein und dann der andere Volumenkörper zur Querschnittsverengungseinrichtung zusammengesetzt und anschließend mit dem Haltgestänge die Pegelstandsmesseinrichtung hinzugefügt werden kann. Hierdurch ist ein Einbau selbst bei beengtem Platzangebot leicht durchführbar, so dass die Durchflussmessvorrichtung selbst in schwer zugänglichen Kanälen und Rohrsystemen eingebaut werden kann.
In einem nebengeordneten Aspekt wird ein Verfahren zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr oder einen Kanal unter Verwendung einer vorgenannten Durchflussmessvorrichtung vorgeschlagen, wobei temporär und insbesondere werkzeugfrei die Durchflussmessvorrichtung in ein Abwasserrohr oder einen Abwasserkanal zur Messung des Abwasseraufkommens über eine vorbestimmt Zeit eingebracht wird. Durch Messung über eine vorbestimmte Zeit kann auf ein Abwasseraufkommen rückgeschlossen werden, das als wertvolle Grundlage, insbesondere zur Berechnung von Abwassergebühren und zur Planung und Instandhaltung von Abwassersystemen eingesetzt werden kann.
Vorteilhafter Weise kann ein Querschnittsverengungsparameter, insbesondere ein Abstandsparameter zwischen zwei oder mehreren Volumenkörpern der Querschnittsverengungseinrichtung bei der Ermittlung der Wasserdurchflussmenge in einer der Pegelstandsmesseinrichtung umfassenden Auswerteeinheit berücksichtigt werden. Insbesondere bei stark variierenden Querschnitten eines Abwasserrohres oder Abwasserkanals kann unter Berücksichtigung eines Abstandsparameters der Volumenkörper, der durch die Verstelleinheit eingestellt wird, bzw. der Querschnittsgröße der Querschnittsverengungseinrichtung eine mathematische Abhängigkeit von Wasserpegelhöhe und Wasserdurchflussmenge neu bestimmt werden, so dass eine hohe Genauigkeit der Bestimmung der Wasserdurchflussmenge erreicht werden kann. Eine elektronische Auswerteeinheit, die in der Pegelstandsmesseinrichtung umfasst ist, und die eine elektronische Auswertung der Wasserdurchflussmenge auf Basis der Pegelstandshöhe über eine längere Messdauer hinweg vornehmen kann, kann einen Abstandsparameter als Querschnittsparameter berücksichtigen, um eine möglichst hohe Genauigkeit der Wasserdurchflussmenge zu bestimmen.
Es ist durchaus möglich, die Durchflussmessvorrichtung permanent in einem Abwasserkanal zu installieren und zu betreiben. Somit kann dauerhaft ein Abwasseraufkommen bestimmt werden. Das Verfahren kann aufgrund der einfachen Installation und beliebigen Anpassbarkeit an variierende Abwasserkanalgeometrien insbesondere vorteilhaft zur Abschätzung eines Abwasservolumens über einen großen Zeitabschnitt zur Planung und Instandhaltung eines Abwassersystems auf Basis der während der vorbestimmten Zeit erfassten Wasserdurchflussmenge eingesetzt werden. Der Zeitabschnitt kann einen Zeitraum von vier bis acht Wochen, von zwei bis sechs Monaten, aber auch von einem bis drei Jahren umfassen. Ein Zeitabschnitt von länger als sechs Monaten, insbesondere zwischen einem bis drei Jahren kann geeignet sein, saisonale Schwankungen des Abwasseraufkommens abhängig von verschiedenen Jahreszeiten und Witterungsverhältnissen zu berücksichtigen und maximal auftretende Abwassermengen zur Dimensionierung eines Abwasser- und Klärsystems zuverlässig abzuschätzen. Somit kann neben einer Permanentinstallation ein temporärer Einsatz geeignet sein, auf eine durchschnittliche Wasserdurchflussmenge über einen längeren Zeitraum zurückzuschließen, so dass eine wertvolle Information über die Auslastung des Abwassersystems vorliegt, ohne dass dauerhaft ein Eingriff in das Abwassersystem bei Installation einer permanenten Durchflussmessvorrichtung erforderlich ist.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine adaptive Durchflussmessvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 skizzenhafte Darstellungen von Anströmprofilen von Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Wasserdurchflussmessvorrichtungen;
3 zwei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Wasserdurchflussmessvorrichtungen für einen Kanaleinbau in einer Ansicht in Anströmrichtung,
4 perspektivisch eine Ausführungsform einer Wasserdurchflussmessvorrichtung als Venturikanal,
5 Querschnitts- und Seitendarstellung eines Volumenkörpers einer Ausführungsform einer Durchflussmessvorrichtung;
6 perspektivische Darstellung eines Volumenkörpers mit einem volumenveränderlichen Umfangselement eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
7 Frontalansicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Durchflussmessvorrichtung mit einem Volumenkörper mit volumenveränderlichem Umfangselement.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen beziffert.
In der 1 ist in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Durchflussmessvorrichtung 10 dargestellt. Die Durchflussmessvorrichtung 10 ist in einer Teilabschnittsöffnung eines Rohres 12 angeordnet, und umfasst eine Querschnittsverengungseinrichtung 16 und eine Pegelstandsmesseinrichtung 20. Die Pegelstandsmesseinrichtung 20 umfasst einen Abstandssensor 26, der als Ultraschallmesssensor 64 ausgeführt ist, und der in Strömrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung 16 angeordnet ist. Die Pegelstandsmesseinrichtung 20 ist über ein Haltegestänge 24 mit der Querschnittsverengungseinrichtung 16 verbunden, die über ein Befestigungsmittel 50, in diesem Fall eine werkzeugfrei lösbare Klemmschraube mit einer Anströmflanke 48 eines Volumenkörpers 34b verbunden ist. Die Querschnittsverengungseinrichtung 16 ist in die Innenwandung 62 des Rohrquerschnitts 18 des Rohres 12 eingepresst, wobei zwei Volumenkörper 34a und 34b über eine als Spannschloss 38 ausgeführte Verstelleinheit 22 miteinander verbunden sind. Das Spannschloss 38 verschiebt zwei Gewindebolzen, die senkrecht auf der Innenwandfläche 46 der Volumenkörper 34a, 34b befestigt sind. Durch ein Verschrauben des Spannschlosses 38 werden die beiden Volumenkörper 34a und 34b gegen die Innenwandung 62 des Rohres 12 gepresst. Jeder Volumenkörper 34 umfasst eine entsprechend dem Rohrdurchmesser gekrümmte Außenwandfläche 44 und eine den Verengungskanal definierende planare Innenwandfläche 46. Zwischen den sich gegenüberstehenden Wandflächen 46 der Volumenkörper 34a und 34b ist die Querschnittsverengung 36 definiert. In Anströmrichtung weisen beide Volumenkörper 34 eine schräg gestellte Anströmflanke 48 zur Verhinderung von Turbulenzen auf, die für eine weitgehend laminare Strömung sorgen und durch die auch größere Festkörper durch die Querschnittsverengung 36 geführt werden können. Abhängig von der Breite der Querschnittsverengung 36 bildet sich bei Anströmung unterhalb der Pegelstandsmesseinrichtung 20 ein erhöhter Wasserpegel, der entsprechend der Durchflussmenge durch die Querschnittsverengung 36 ansteigt. Mittels der Pegelstandsmesseinrichtung 20 kann unter Wissen der Geometrie und Querschnittsform der Querschnittsverengung 36 eine Wasserdurchflussmenge bestimmt werden, da diese in einem mathematischen Zusammenhang zum Wasserpegel vor der Querschnittsverengung steht.
In den 2a bis 2c sind verschiedene Ausführungsformen der Querschnittsverengung 36 einer Durchflussmessvorrichtung 10 dargestellt. Jeder der Durchflussmessvorrichtungen 10 umfasst zwei Volumenkörper 34a und 34b, die eine Querschnittsverengungseinrichtung 16 bilden. Die beiden Volumenkörper 34 sind über eine Verstelleinheit 22 miteinander verbunden und über ein Haltegestänge 24 mit einer Pegelstandsmesseinrichtung 20 verbunden, die als Abstandssensor 26 ausgeführt ist. Das Haltegestänge 24 richtet die Pegelstandsmesseinrichtung 20 in Anströmrichtung mittig in einem vorbestimmbaren Abstand vor der Querschnittsverengungseinrichtung 16 aus.
In der 2a sind die beiden Volumenkörper über ein Spannschloss 38 gegeneinander im Rohr 12 verpressbar. Die beiden Volumenkörper 34 bilden eine rechteckförmige Querschnittsverengung 52 aus. Die Außenwandung 44 des Volumenkörpers 34 ist formkomplementär zur Innenwandung des Rohrabschnitts 12 kreisförmig ausgeführt.
In der 2b sind die beiden Innenwandflächen 46 der beiden Volumenkörper 34a und 34b gegeneinander geneigt und berühren sich in einem axialen Drehpunkt. Der Abstand der beiden Volumenkörper ist über einen Hydraulikzylinder 40 variierbar, der mittels eines manuellen Verstellbetätigungsmittels 60 als Pumpstange ein- und ausfahrbar ist. Am Hydraulikzylinder 40 ist ein Haltegestänge 24 für die Abstandsmessvorrichtung 26 befestigt. Die Querschnittsverengung der 2b ist als dreiecksförmige Querschnittsverengung 54 ausgebildet.
In der 2c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Durchflussmessvorrichtung 10 dargestellt. Die Innenwandflächen 46 der beiden Volumenkörper 34 sind gegeneinander geneigt, so dass die beiden Volumenkörper 34a und 34b eine trapezförmige Querschnittsverengung 56 ausbilden. Die beiden Volumenkörper 34 sind über ein Zahnstangengetriebe 42 gegenüber der Rohrwandung 12 verspannt. Das Zahnstangengetriebe 42 ist über ein manuelles Verstellbetätigungsmittel 60 in Form einer Kurbel in das Rohr 12 werkzeugfrei betätigbar.
In der 3a und 3b sind zwei weitere Ausführungsbeispiele einer Durchflussmessvorrichtung 10 für einen Einsatz dargestellt. Die dargestellten Durchflussmessvorrichtungen 10 dienen zur Messung der Durchflussmenge in einem offenen Kanal 14. In der 3a ist die Querschnittsverengungseinrichtung aus zwei L-förmigen Volumenkörpern 34a und 34b ausgebildet, die in der Bodenfläche 66 gegeneinander teleskopierbar sind, um eine geschlossene Bodenfläche 66 auszubilden. Die beiden L-förmigen Volumenkörper 34a, 34b werden über ein Spannschloss 38 und Gewindebolzen, die senkrecht auf der Innenwandfläche 46 angeschweißt sind, gegenüber der Kanalwandung 14 verspannt. Über ein Haltegestänge 24 ist ein Abstandssensor 26 gegenüber der Querschnittsverengungseinrichtung 16 mittig vor der Querschnittsverengung 52 ausgerichtet. Die Querschnittsverengung 52 weist eine rechteckige Form auf, wobei die Wasserspiegelhöhe bei einem gegebenen Wasserdurchfluss von dem Abstand der beiden Volumenkörper 34a, 34b abhängt. Um den Querschnittsverengungsdruchmesser 52 abzuschätzen kann beispielsweise auf dem Boden 66 eine Skala angebracht sein, um den Abstand zwischen den beiden Volumenkörpern 34a und 34b zu bestimmen.
In der 3b ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in der 3a dargestellt, das jedoch eine trapezförmige Querschnittsverengung 56 ausbildet. Hierzu sind die beiden Innenwandflächen 46 der beiden Volumenkörper 34 in einen vordefinierten Winkel gegeneinander geneigt, und können relativ zueinander durch einen Hydraulikzylinder 40 verfahren werden, der über ein manuelles Pumpgestänge-Betätigungsmittel 60 ein- und ausgefahren werden kann.
In der 4 ist perspektivisch ein Venturikanal-Ausführungsbeispiel einer Durchflussmessvorrichtung 10 dargestellt. Die Querschnittsverengungseinrichtung 16 umfasst zwei Volumenkörper 34a und 34b, die über eine teleskopierbare Bodenfläche 66 miteinander verbunden und gegeneinander verfahren werden können. Zur Verfahrung sind vier Verstelleinheiten 22 in Form von Spannschlössern 38 mit jeweils an den Innenwandflächen 48 angeschweißten Gewindestangen angeordnet, um die langgestreckte Querschnittsverengungseinrichtung 16 an die Breite eines Kanals oder rechteckförmigen Rohres anzupassen. In Anströmrichtung weist die Querschnittsverengungseinrichtung 16 ein elastisches Umfangselement 28 zur Abdichtung auf, das als Gummidichtungselement 30 eine Abdichtung der Einströmseite der Querschnittsverengungseinrichtung gegenüber der Innenwandung des Rohres oder des Kanals ermöglicht. Das Dichtungselement 28 kann beispielsweise eine umlaufende und abnehmbare Gummilippe sein, wobei die Größe des Dichtungselements 28 je nach Kanalgröße variiert werden kann.
In der 5 ist in einem Querschnitt eine Innenseite eines einzelnen Volumenkörpers 34 mit zwei als Spannschlössern 38 ausgeführten Verstelleinheiten 22 dargestellt. Der Volumenkörper 34 weist eine gegenüber der Anströmfläche schräg verlaufende Anströmflanke 48 auf und eine planare und in Anströmrichtung parallel verlaufende innere Wandungsfläche 46. An der Anströmflanke 48 ist ein Haltegestänge 24 angeordnet, das einen Abstandssensor 26 trägt, der in vordefinierbarem Abstand und Position vor der Anströmflanke 48 des Volumenkörpers 34 angeordnet ist. Die Bodenfläche des Volumenkörpers 34 ist entweder teleskopisch oder gelenkig mit der Bodenfläche eines weiteren zugehörigen Volumenkörpers der Querschnittsverengungseinrichtung 16 verbunden. Der Abstand zwischen den beiden Volumenkörpern 34a, 34b kann durch die beiden Spannschlösser 38 an verschiedene Querschnitte eines Rohres oder Kanals angepasst werden.
In der 6 ist in einer skizzenhaften perspektivischen Darstellung ein Volumenkörper 34 mit Anströmflanke 48 dargestellt. Dieser trägt an einem Außenabschnitt ein volumenveränderliches Umfangselement 28, das ein Dichtungselement 30 darstellt, das mittels eines Druckgasbehälters 32 aufgepumpt werden kann. Durch das volumenveränderliche Umfangselement 28 kann eine variable Abdichtung des Volumenkörpers 34 gegenüber einer Außenwandung eines Rohres ermöglicht werden.
Dementsprechend stellt 7 eine Frontalansicht auf eine Durchflussmessvorrichtung 10 dar, die ein volumenveränderliches Umfangselement 28 aufweist, das mittels eines Druckgasbehälters 32 aufgeblasen werden kann. Somit kann eine umlaufende Abdichtung der Querschnittsverengungseinrichtung 16 erreicht werden, so dass das gesamte Abwasser durch die rechteckförmige Querschnittsverengung 52 geleitet wird. Hierdurch kann eine präzise Messung des vor der Querschnittsverengungseinrichtung 16 aufbauenden Wasserspiegels durch den Abstandssensor 20 vorgenommen werden.
Somit ist eine mobile und temporär installierbare Durchflussmessvorrichtung 10 vorgeschlagen, die ohne großen Montageaufwand kurzfristig n ein Rohr- oder Kanalsystem eingebracht werden kann, um eine anfallende Abwassermenge präzise messen zu können.
Bezugszeichenliste

10: Durchflussmessvorrichtung
12: Rohr
14: Kanal
16: Querschnittsverengungseinrichtung
18: Rohrquerschnitt
20: Pegelstandsmesseinrichtung
22: Verstelleinheit
24: Haltegestänge
26: Abstandssensor
28: volumenveränderliches Umfangselement
30: Dichtungselement
32: Druckgasbehälter
34: Volumenkörper
36: Querschnittsverengung
38: Spannschloss
40: Hydraulikzylinder
42: Zahnstangengetriebe
44: Äußere Wandungsfläche des Volumenkörper zur Rohr/Kanalinnenwand
46: Innere Wandungsfläche des Volumenkörpers zur Querschnittsverengung
48: Anströmflanke
50: Haltegestänge-Befestigungsmittel
52: rechteckförmige Querschnittsverengung
54: dreiecksförmige Querschnittsverengung
56: trapezförmige Querschnittsverengung
58: Venturikanal-Querschnittsverengung
60: Manuelles Verstellbetätigungsmittel
62: Innenwandung des Rohres/Kanals
64: Ultraschallmesssensor
66: teleskopierbare Bodenfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29703101 U [0007]

Claims

Durchflussmessvorrichtung (10) zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr (12) oder einen Kanal (14), umfassend eine Querschnittsverengungseinrichtung (16) zur Verengung eines durchströmbaren Querschnitts des Rohrs (12) oder Kanals (14) und eine Pegelstandsmesseinrichtung (20) zur Erfassung eines Wasserpegels in Anströmrichtung vor der Querschnittsverengungseinrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungseinrichtung (16) eine Verstelleinheit (22) zur adaptiven Anpassung an einen Innenquerschnitt des Rohres (12) oder des Kanals (14) umfasst.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelstandsmesseinrichtung (20) mit der Querschnittsverengungseinrichtung (16) durch ein Haltegestänge (24) verbunden ist, um die Pegelstandsmesseinrichtung (20) in einem vorbestimmbaren Abstand und Position vor und über der Querschnittsverengung (36) auszurichten.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pegelstandsmesseinrichtung (20) einen berührungslos messenden Abstandssensor (26), insbesondere einen Radarsensor, einen Ultraschallsensor oder einen optischen Wasserspiegelhöhensensor umfasst.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungseinrichtung (16) zumindest ein volumenveränderliches Umfangselement (28), insbesondere ein elastisches oder ein aufblasbares Dichtungselement (30) aufweist, das im Gebrauchszustand durch Einströmen eines Fluids, insbesondere eines Druckgases eine zumindest abschnittsweise Abdichtung der Querschnittsverengungseinrichtung (16) gegenüber der Innenwandung (62) des Rohres (12) oder des Kanals (14) bewirkt.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengungseinrichtung (16) zumindest zwei im Abstand zueinander verstellbare Volumenkörper (34) umfasst, die mittels einer insbesondere werkzeugfrei betätigbaren Verstelleinheit (22) im Gebrauchszustand gegen eine Innenwandung (62) des Rohrs (12) oder des Kanals (14) verpressbar sind, wobei im Abstandsbereich zwischen den Volumenkörpern (34) eine Querschnittsverengung (36) definiert ist.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Volumenkörper (34) zumindest in Anströmrichtung eine verengende Anströmflanke (48) zur Unterdrückung von Verwirbelungen aufweist.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (22) ein Spannschloss (38), einen mechanisch oder hydraulisch verstellbaren Zylinder (40) oder ein Zahnstangengetriebe (42) mit einem manuellen Betätigungsmittel (60) umfasst.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (22) ein Messmittel zur Bestimmung der Größe der Querschnittsverengung (36) umfasst.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenkörper (34) parallel zur Wasserströmrichtung eine zur Innenwand formkomplementär gekrümmte oder ebene äußere Wandungsfläche (44) und eine zur Querschnittsverengung (36) hin ebene innere Wandungsfläche (46) umfasst, wobei die äußere Wandungsfläche (44) und die innere Wandungsfläche (46) zumindest in Anströmrichtung durch eine in Flussrichtung abgewinkelte Anströmflanke (48) verbunden sind.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Volumenkörpers (34) aus Metall, insbesondere Edelstahl oder Aluminium besteht und das Haltegestänge (24) bevorzugt werkzeugfrei an einem der Volumenkörper (34) befestigbar ist.
Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung (36) rechteckförmig (52), dreiecksförmig (54), trapezförmig (56) oder als Venturikanal (58) ausgebildet ist.
Verfahren zur Messung einer Wasserdurchflussmenge durch ein Rohr (12) oder einen Kanal (14) unter Verwendung einer Durchflussmessvorrichtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch ein temporäres und insbesondere werkzeugfreies Einbringen der Durchflussmessvorrichtung (10) in ein Abwasserrohr (12) oder einen Abwasserkanal (14) zur Messung eines Abwasseraufkommens über eine vorbestimmbare Zeit.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Berücksichtigung eines Querschnittsverengungsparameters, insbesondere eines Abstandsparameters zwischen zumindest zwei Volumenkörper (34) der Querschnittsverengungseinrichtung (16) zur Erfassung der Wasserdurchflussmenge in einer in der Pegelstandsmesseinrichtung (20) umfassten Auswerteeinheit.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Abschätzung eines Abwasservolumens über einen größeren Zeitabschnitt zur Planung und Instandhaltung eines Abwassersystems auf Basis der während der vorbestimmbaren Zeit erfassten Wasserdurchflussmenge.