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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie eines Mediums in elektrische Energie gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Durchflusszähler zur Durchflussmessung von strömenden Fluiden, mit einer entsprechenden Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Wandeln mechanischer Energie eines Mediums in elektrische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Druckschriftlicher Stand der Technik
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Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Durchflusszähler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15 sind aus der
US 2009/0058088 A1 bekannt. In dieser Druckschrift wird beschrieben, dass mechanische Energie, die in einem Wasserstrom enthalten ist, in elektrische Energie gewandelt werden kann, die unmittelbar in Wassermengenzählern eingesetzt werden kann. Das fließende Wasser versetzt hierbei ein mechanisches Element in Drehung, mit dem an einer Welle ein Permanentmagnet gekoppelt ist, der ein magnetisches Wechselfeld induziert, das seinerseits einen anderen Permanentmagneten in Drehung versetzt, der als Rotor eines elektrischen Generators wirkt.
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Eine solche Anordnung ist sehr aufwendig, insbesondere bei einem Durchflusszähler. Der Aufwand ist durch einen Wasserverbrauch eines gewöhnlichen Haushaltes, wo ein solcher Durchflusszähler vorgesehen sein könnte, nicht gerechtfertigt.
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Bei einem Flüssigkeitszähler gemäß der
DE 695 01 834 T2 ist es bekannt, eine durch Wasser erzeugte Drehbewegung eines Magneten unter Einsatz einer Kupplungseinrichtung zum Drehantrieb eines Elements eines Zählwerks zu verwenden.
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Die
DE 10 2007 030 055 B4 beschreibt einen Energiewandler, bei dem eine Kopplung zwischen zwei rotierenden Elementen mechanisch erfolgt, wobei aber durch eine Haltevorrichtung mit zwei Magneten eine Übertragung der Bewegung zwischen den beiden drehbaren Elementen verhindert wird, bis eine Haltekraft überschritten ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie eines Mediums in elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, die einen einfachen und unaufwendigen Aufbau aufweist, aber dennoch ausreichend viel elektrische Energie bereitstellt, um einen Durchflusszähler mit elektrischen und elektronischen Einheiten zumindest zeitweise zu betreiben. Die Aufgabe besteht auch darin, einen neuartigen Durchflusszähler zur Verfügung zu stellen, der weniger von externen Energiequellen abhängig ist und bevorzugt vollständig energieautark ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ferner darin, ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Durchflusszähler mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Durchflusszählers werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
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Durch den Einsatz eines piezoelektrischen Wandlers als Quelle einer elektrischen Spannung, die mittelbar über den ersten und den zweiten Permanentmagneten durch die mechanische Energie des Mediums entsteht, ist die Vorrichtung insgesamt preisgünstig und kompakt – ein piezoelektrischer Wandler nimmt nur sehr wenig Raum ein. Mit seiner Leistung sorgt der piezoelektrische Wandler für ausreichende Energie für eine typische Auswerteschaltung, die in einem Durchflusszähler benötigt wird.
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Wenn der zweite Permanentmagnet so angeordnet ist, dass er eine zyklische Bewegung durchläuft, wird auch die Piezospannung zyklisch auf- und wieder abgebaut. Die zyklische Änderung der Piezospannung, welche auf eine entsprechende zyklische Änderung der Stellung des zweiten Permanentmagneten und damit auch des ersten Permanentmagneten zurückzuführen ist, lässt schließlich unmittelbar auf die Bewegung des mechanischen Elements zurückschließen, sodass die Menge des entsprechend geführten Mediums abgeleitet werden kann.
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Dies macht man sich bei dem erfindungsgemäßen Durchflusszähler zunutze, indem eine entsprechende Auswerteeinrichtung bereitgestellt wird. Zwar kann das Medium durchaus ein Festkörper, zum Beispiel ein feinkörniges Granulat, sein oder einen solchen beinhalten. Bevorzugt aber ist das Medium ein strömendes Fluid und das mechanische Element ein Flügelrad, an dem das strömende Fluid vorbeigeleitet wird, um es in Drehbewegung zu versetzen. Ein Flügelrad ist die übliche Komponente in einem Durchflusszähler und konstruktiv bekannt. Unter einem Flügelrad wird vorliegend ein Rad mit sich radial von dem Grundkörper wegerstreckenden Elementen verstanden, auf die das strömende Fluid auftrifft. Neben flachen Platten als Flügel können auch Schaufeln vorgesehen sein, d. h. es kann das Flügelrad als Schaufelrad ausgebildet sein.
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Um den piezoelektrischen Wandler mit Kraft zu beaufschlagen, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der piezoelektrische Wandler als biegbarer Holm („Biegeholm”) ausgebildet ist und der zumindest eine zweite Permanentmagnet an einem ersten Ende dieses biegbaren Holms angeordnet ist, der mit seinem zweiten Ende bewegungsfest fixiert ist.
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Bei einer besonders einfachen Ausführungsform zu dieser ersten Alternative ist der zumindest eine erste Permanentmagnet an einem mit dem mechanischen Element um eine Drehachse drehbaren Schaft (also an einer Welle) angeordnet. Eine Mehrzahl von piezoelektrischen Wandlern in Form von Biegeholmen, welche jeweils zumindest einen zweiten Permanentmagneten tragen, sind mit ihrem ersten freien Ende in vorbestimmten Winkelabständen über einem ersten Umkreis des Schafts angeordnet und mit ihrem zweiten Ende über einem zweiten Umkreis, welcher radial weiter außen liegt als der erste Umkreis, bewegungsfest angeordnet, sodass die piezoelektrischen Wandler an ihrem ersten Ende schwingungsfähig sind. Besonders einfach ist die Anordnung, wenn sich die Biegeholme derart verbiegen, dass die Biegekraft keine oder eine vernachlässigbare Komponente in axialer Richtung der Drehachse aufweist.
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Die Anordnung der Biegeholme wird erleichtert, wenn die vorbestimmten Winkelabstände alle gleich 360° geteilt durch die Anzahl der Biegeholme betragen. In diesem Falle wird bei einer Gleichverteilung der ersten Permanentmagnete auch für eine hohe Regelmäßigkeit bei der Spannungserzeugung durch die piezoelektrischen Wandler gesorgt.
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Wenn alternativ hierzu zumindest zwei der vorbestimmten Winkelabstände verschieden voneinander sind, lässt sich allerdings eine Drehrichtung des Schafts und damit auch des mechanischen Elements und letztlich die Bewegungsrichtung des Mediums (eine Fließrichtung des Fluids) durch geeignete Auswertung ermitteln.
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Es ist ferner in einer Alternative möglich, die Permanentmagnete radial wirken zu lassen. So kann der piezoelektrische Wandler die Form eines Rings haben, an dessen radialer Innenseite (alternativ an einer radialen Außenseite) der zumindest eine zweite Permanentmagnet angebracht ist. Hier kann dann eine Welle, die sich mit dem mechanischen Element dreht, den Ring durchdringen und im Bereich der Durchdringung die ersten Permanentmagnete mit Wirkung nach radial außen tragen. In einer Variante kann an eine solche Welle ein Topf angeformt sein, der den ringförmigen piezoelektrischen Wandler von außen her umgibt und die ersten Permanentmagnete mit Wirkung nach radial innen trägt. Diese beiden Varianten des Durchdringens und des Umgebens des Rings können auch zugleich verwirklicht sein, dann sind auch entsprechend piezoelektrische Wandler sowohl an der radialen Innenseite als auch an der radialen Außenseite des Rings sinnvollerweise anzubringen.
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Es können auch zwei piezoelektrische Wandler in Form eines Rings axial aufeinanderfolgend angeordnet sein, hierbei aber einen Drehversatz aufweisen, der von dem Teilungswinkel und von Vielfachen desselben verschieden ist, wobei der Teilungswinkel 360° geteilt durch die Anzahl der Permanentmagnetsektoren beträgt. Auch dann lässt sich die Drehrichtung des Schafts und damit des mechanischen Elements und letztlich die Bewegungsrichtung des Mediums (eine Fließrichtung des Fluids) durch geeignete Auswertung ermitteln.
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Von dem Prinzip einer radialen Wirkung der Permanentmagneten kann auch abgegangen werden, wenn der piezoelektrische Wandler eine im Ganzen schwingungsfähige Membran aufweist, an der (vorzugsweise mittig, insbesondere bei einer kreisförmigen Membran) der zumindest eine zweite Permanentmagnet angebracht ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Durchflusszähler erfolgt bevorzugt mit einer der oben hierzu genannten Anordnungen die Ermittlung der Durchflussrichtung des Fluids.
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Bei dem erfindungsgemäßen Durchflusszähler ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung, der die Piezospannung als Eingang zugeführt wird und die daraus die Strömungsmenge des strömenden Fluids (pro Zeiteinheit und/oder absolut) ermittelt, ihre Betriebsenergie zumindest zeitweise und ggf. auch nur zumindest teilweise aus der Piezospannung erhält.
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Hierzu ist es hilfreich, dem piezoelektrischen Wandler in der galvanischen Reihe einen Mehrfachgleichrichter, ein Glättungsfilter, eine Einrichtung zur Spannungsanpassung an Erfordernisse der Auswerteeinrichtung und zur Spannungsstabilisierung und schließlich eine Einrichtung zur Energieverteilung nachzuordnen.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Die Erfindung ist anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen gemäß den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten mechanischen Komponenten eines Durchflusszählers gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2a eine Draufsicht auf diese erste Ausführungsform, die eine Anordnung der Biegeholme gemäß einer ersten Variante veranschaulicht;
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2b eine Draufsicht auf diese erste Ausführungsform, die eine Anordnung der Biegeholme gemäß einer zweiten Variante veranschaulicht;
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3 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten mechanischen Komponenten eines Durchflusszählers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform aus 3;
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5 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten mechanischen Komponenten eines Durchflusszählers gemäß einer dritten Ausführungsform in einer ersten Stellung;
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6 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten mechanischen Komponenten eines Durchflusszählers gemäß der dritten Ausführungsform in einer zweiten Stellung;
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7 einen Durchflusszähler gemäß der dritten Ausführungsform in Explosionsdarstellung;
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8 ein Prinzipschaubild der elektrischen Schaltung, wie sie bei dem Durchflusszähler einsetzbar ist;
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9 eine elektrische Schaltung, wie sie bei der zweiten Variante der ersten Ausführungsform gemäß 2b zur Drehrichtungserkennung einsetzbar ist; und
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10 Spannungsverläufe veranschaulicht, die durch die Schaltung aus 9 gewonnen werden.
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Ein Durchflusszähler dient der Bestimmung der Durchflussmenge eines strömenden Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases. Das strömende Medium versetzt vorliegend ein bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen vorhandenes Flügelrad 1 in Drehung. Mit dem Flügelrad 1 dreht sich eine Welle 2, die in ihrem dem Flügelrad 1 abgewandten Bereich Aufnahmen 3 für erste Permanentmagnete 4 hat. Die Permanentmagnete 4 sind in insgesamt gerader Anzahl vorhanden, wobei ihre Polung über einen Kreis hinweg alterniert. Bei der Drehung des Flügelrades 1 ändert sich somit das magnetische Feld in ständigem Wechsel. Zweite Permanentmagnete 5, die nicht an der Welle 2 angeordnet sind, reagieren auf dieses wechselnde magnetische Feld und wirken auf ein piezoelektrisches Element mittelbar oder unmittelbar ein.
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Die Vorrichtung gemäß 1 weist nun die Eigenschaft auf, dass die zweiten Permanentmagnete 5 an piezoelektrischen Wandlern in Form von biegbaren Holmen („Biegeholmen”) 6 angeordnet sind, die bewegungsfest in ortsfesten Aufnahmen 7 stecken. Die zweiten Permanentmagnete 5 sind bevorzugt hier als Flachmagnete ausgebildet. Ändert sich das magnetische Feld aufgrund der Drehung des Flügelrades 1, verbiegen sich die Biegeholme 6 zunächst zunehmend, sodass eine Piezospannung an Abgriffen 8 abgreifbar ist.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind, wie den Draufsichten gemäß 2a und 2b zu entnehmen ist, acht erste Permanentmagnete mit alternierender Polung 4 vorgesehen und vier Biegeholme 6 mit jeweiligen zweiten Permanentmagneten 5, die ebenfalls über einen Umkreis in ihrer Polung alternieren. Bei der Anordnung gemäß 2a sind die Biegeholme in gleichen Winkelabständen von 90° angeordnet, d. h. das jeweilige erste Ende, das die Permanentmagnete 5 trägt, ist über einen ersten Umkreis der Welle 2 angeordnet, und sie erstrecken sich mit ihrem zweiten Ende über einen zweiten Umkreis radial weiter außen. Da die Biegeholme 6 jeweils abwechselnd Permanentmagnete 5 mit erster und zweiter Polung (Süd und Nord) tragen, werden bei acht gleich großen ersten Permanentmagneten 4 jeweils die zwei gegenüberliegenden zweiten Permanentmagnete 5 angezogen und die beiden anderen, um 90° hierzu versetzten zweiten Permanentmagnete 5 abgestoßen. Jeweils zwei der Biegeholme als Piezoelemente haben daher eine aufgrund der Anziehung entstehende erste Spannung und die anderen beiden Biegeholme als Piezoelemente eine aufgrund des Abstoßens entstehende zweite Spannung.
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Die Anordnung gemäß 2b kehrt von diesem Prinzip ab, es sind nämlich jeweils zwei der Biegeholme 6 über einen Winkelumfang von nur 67,5° voneinander beabstandet, beim jeweils darauf folgenden Biegeholm 6 ist aber ein Abstand von 112,5° vorgesehen. Durch die Abweichung von 90° um jeweils 22,5° weniger und mehr, entsteht ein Winkelabstand von 45°, der optimal dazu genutzt werden kann, eine Drehrichtung des Flügelrads 1 zu ermitteln, wie nachfolgend unter Bezug auf die 9 und 10 noch erläutert werden wird.
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In größerer Verallgemeinerung kann eine gleichmäßige Beabstandung bei n Biegeholmen 6 durch Winkelabstände von 360°/n vorgesehen sein. Bei gewünschter maximaler Ungleichverteilung ist hingegen bevorzugt vorgesehen, dass ein erster Winkelabstand 360° × (1/n + 1/4n) beträgt und ein anderer Winkelabstand 360° × (1/n – 1/4n).
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Bei der Anordnung gemäß 3 ist vorgesehen, dass ein Piezoelement 9 als Ring ausgeführt ist, welcher radial innen die zweiten Permanentmagnete 5 trägt und die Welle 2 im Bereich der ersten Permanentmagnete 4 umgibt. Ein zweiter solcher Ring 10 ist unmittelbar axial daneben (beziehungsweise darunter) vorgesehen und trägt ebenfalls zweite Permanentmagnete 5, dies aber um 45° zum ersten Piezoring 9 versetzt. Die jeweils unmittelbar an den Piezoringen 9 und 10 angebrachten zweiten Permanentmagnete 5 werden durch die ersten Permanentmagnete 4 im Wechsel abgestoßen und angezogen und erzeugen eine Piezospannung, die für den ersten Piezoring 9 und den zweiten Piezoring 10 jeweils ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Der Versatz kann analog wie zu 2b beschrieben alternativ so gestaltet sein, dass die Durchflussrichtung des Fluids ermittelbar ist.
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Bei der Anordnung gemäß 5 sind die zweiten Permanentmagnete 5 in axialer Verlängerung der ersten Permanentmagnete 4 angeordnet, und zwar an einer kreisförmigen piezoelektrischen Membran 11 angebracht. Bei einer Drehung des Flügelrades 1 und damit der Welle 2 stoßen die Permanentmagnete 4 die Permanentmagnete 5 abwechselnd ab (wie in 5 zu sehen) und ziehen sie an (wie in 6 zu sehen). Solche Piezomembranen sind Flächenwandler, die aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut sind. Die äußere Schicht dient der elektrischen Isolation und der mechanischen Stabilisierung. Darunter befindet sich die Kontaktierung auf einer piezoelektrischen Folie als eigentliches piezoelektrisches Element. Die mittig liegende Folie ist mit Oberflächenelektroden ausgestattet. Dann folgen nochmals die Kontaktierung und eine äußere Schicht, sodass sich insgesamt ein symmetrischer Schichtaufbau ergibt.
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Die 7 zeigt in der Gesamtanordnung die Piezomembran 11 mit den Magneten 5 sowie einen Haltering 12 für die Piezomembran 11 und den Grundkörper 13 des Wasserzählers, der eine Aufnahme 14 für den Haltering und damit die Piezomembran 11 aufweist.
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Die von den Piezowandlern bereitgestellte Spannung kann nicht unmittelbar durch eine Auswerteeinrichtung eines Durchflusszählers genutzt werden. Vielmehr ist eine Anordnung gemäß dem elektrischen Prinzipschaubild in 8 vorteilhaft.
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Das Signal des (der) Piezowandler(s) 9, 10, 11 wird in einem Energiezweig 15 einem Mehrfachgleichrichter 16 zugeführt, der das gleichgerichtete Spannungssignal einem Glättungsfilter 17 zuführt, wobei in einer Einrichtung 18 eine Spannungsanpassung und -stabilisierung erfolgt, wonach die so erhaltene Spannung einem Energieverteiler 19 zugeführt wird. Der Energieverteiler 19 führt wahlweise die Energie einem Prozessor 21 zu und wahlweise einem Energiespeicher 20 und/oder einer Kommunikationseinheit 22 zum Aussenden von Messsignalen an zumindest einen externen Empfänger. In einem Messzweig 23 wird die Piezospannung als Messsignal einer Aufbereitungseinrichtung 24 zugeführt, bevor das aufbereitete Messsignal zum Prozessor 21 als Eingangssignal gelangt. Die Auswerteeinrichtung, der Prozessor 21, hat also mindestens zwei Eingänge, den Eingang 25 zur Bereitstellung von Energie und den Signaleingang 26, wobei vorliegend diese beiden Eingänge auf die Piezospannung am Piezowandler 9, 10, 11 zurückzuführen sind.
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Die Auswertung des Messsignals geschieht wie folgt: Die Durchflussmenge (l/min) multipliziert mit der Übersetzung der Vorrichtung (U/I) entspricht der Drehzahl, die sich in Umdrehungen pro Sekunde (U/s) umrechnen lässt. Multipliziert man diese Drehzahl mit der Anzahl an Polungssektoren geteilt durch zwei, d. h. wie viele Paare von ersten und zweiten Permanentmagnete mit alternierender Polung vorgesehen sind, erhält man die Frequenz des Ausgangssignals. Somit ist der Durchfluss proportional zur Frequenz: Ist die Durchflussmenge gering, wechselt die sinusförmige Ausgangsspannung des Piezowandlers 9, 10, 11 eher langsam, ist sie hoch, ist die Frequenz der sinusförmigen Ausgangsspannung entsprechend hoch. Ein solches Sinussignal entsteht beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß 1 mit 2a.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2b (oder der entsprechenden Ausführungsform mit Piezoringen) lässt sich zusätzlich die Drehrichtung des Flügelrades 1 ermitteln, um einen Rückfluss des strömenden Fluids zu erfassen.
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Gemäß der Schaltung in 9 werden die Signale „a” eines ersten Piezoelements in Form eines ersten Biegeholms 6 und „b” eines zweiten Piezoelements in Form eines hierzu versetzen Biegeholms 6 miteinander verglichen. Diese Eingangssignale V(a) und V(b) sind in 10 oben gezeigt. An den mit „c” und „d” bezeichneten Punkten sind die Spannungen V(c) und V(d) gemäß der dritten und der vierten Zeile von 10 messbar. Durch Vergleich dieser Signale erhält man schließlich einen Ausgang am mit „e” bezeichneten Ort V(e). Das Signal V(e) zeigt unmittelbar die jeweilige Drehrichtung an: wenn es bei „High” liegt, ist eine erste Drehrichtung gegeben, bei „Low” ist eine zweite Drehrichtung gegeben.
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Durch die Erfindung kann eine Batterie als gesonderte Energiequelle ersetzt oder ergänzt werden, die für den Betrieb der bisherigen Durchflusszähler nötig ist. Man erhält somit eine längere Lebensdauer und mehr Funktionalitäten an einem Durchflusszähler, beispielsweise kann die Häufigkeit des Aussendens der Messsignale durch die Kommunikationseinheit 22 an einen externen Empfänger und die Sendeleistung erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügelrad
- 2
- Welle
- 3
- Aufnahme
- 4
- erste Permanentmagnete
- 5
- zweite Permanentmagnete
- 6
- piezoelektrischer Wandler in Form eines Biegeholms
- 7
- Aufnahme
- 8
- Abgriff
- 9
- erster Piezoring
- 10
- zweiter Piezoring
- 11
- Piezomembran
- 12
- Haltering
- 13
- Grundkörper
- 14
- Aufnahme
- 15
- Energiezweig
- 16
- Mehrfachgleichrichter
- 17
- Glättungsfilter
- 18
- Einrichtung zur Spannungsanpassung und -stabilisierung
- 19
- Energieverteiler
- 20
- Energiespeicher
- 21
- Prozessor
- 22
- Kommunikationseinheit
- 23
- Messzweig
- 24
- Aufbereitungseinrichtung
- 25
- Eingang für Energiezufuhr
- 26
- Signaleingang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69501834 T2 [0004]
- DE 102007030055 B4 [0005]
