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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsleitung. Solche Verfahren sind beispielsweise zum Messen von Wasserverbräuchen in Versorgungseinheiten, wie zum Beispiel Gebäuden, Wohnungen, Hotelzimmern oder dergleichen verwendbar.
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Zum Messen eines Volumenstroms einer Flüssigkeit sind Ultraschallmessvorrichtungen mit Ventilen zum Absperren der Flüssigkeitsleitung bekannt. Hierzu weisen die Ultraschallmessvorrichtungen zumindest zwei Ultraschallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen auf, die den Ventilen in einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung entweder vor oder nachgelagert sind. Hierdurch benötigen die Ultraschallmessvorrichtungen einen großen Bauraum. Weiterhin sind die Ultraschallmessvorrichtungen nur zum Messen des Volumenstroms der Flüssigkeit geeignet und nicht multifunktional. Für Zusatzfunktionen sind daher weitere Komponenten erforderlich, die weiteren Bauraum erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Messen eines Volumenstroms einer Flüssigkeit anzugeben, das Ultraschallmessvorrichtungen mit einem geringen Bauraumbedarf ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zum Messen eines Volumenstroms einer Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsleitung bei, das zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- a) Ausbildung einer Ultraschallmessstrecke zwischen einem ersten Ultraschallwandler und einem zweiten Ultraschallwandler zum Messen des Volumenstroms der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung, wobei in der Ultraschallmessstrecke ein Kugelhahnventil zum Absperren der Flüssigkeitsleitung angeordnet ist, und
- b) Verwenden der Ultraschallmessstrecke zur Bestimmung einer Schließstellung des Kugelhahnventils.
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Das Verfahren zum Messen des Volumenstroms der Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsleitung dient insbesondere der Bestimmung eines Wasserverbrauchs in einer Versorgungseinheit, wie zum Beispiel einem Gebäude, einer Wohnung, einem Hotelzimmer oder dergleichen. Bei der Flüssigkeit handelt es sich somit insbesondere um Wasser. Weiterhin handelt es sich bei der Flüssigkeitsleitung insbesondere um eine Rohrleitung. Durch die Rohrleitung ist in der Versorgungseinheit die Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle, wie zum Beispiel einem öffentlichen Flüssigkeitsversorgungsnetz, zu zumindest einem Flüssigkeitsverbraucher, wie zum Beispiel Sanitärarmaturen an Waschtischen, Duschen oder Badewannen, Toilettenspülungen und/oder Waschmaschinen, leitbar. Die Rohrleitung besteht insbesondere zumindest teilweise aus Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Messing.
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Bei dem Verfahren wird in Schritt a) eine Ultraschallmessstrecke zwischen einem ersten Ultraschallwandler und einem zweiten Ultraschallwandler ausgebildet. Mittels dem ersten Ultraschallwandler und/oder dem zweiten Ultraschallwandler ist eine elektrische Leistung in Ultraschall und/oder Ultraschall in eine elektrische Leistung wandelbar. Bei dem ersten Ultraschallwandler und/oder dem zweiten Ultraschallwandler kann es sich insbesondere um piezoelektrische Ultraschallwandler handeln. Insbesondere ist einer der beiden Ultraschallwandler zum Senden und der andere Ultraschallwandler zum Empfangen von Ultraschall eingerichtet. Bei der Strecke, die der Ultraschall zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler zurücklegt, handelt es sich um die Ultraschallmessstrecke. Die Ultraschallmessstrecke kann innerhalb der Flüssigkeitsleitung durch zumindest einen Ultraschallreflektor umlenkbar sein. Der zumindest eine Ultraschallreflektor kann Bestandteil der Flüssigkeitsleitung sein. Weiterhin kann der zumindest eine Ultraschallreflektor gemeinsam mit der Flüssigkeitsleitung beispielsweise durch Druckguss und/oder Spritzguss hergestellt sein. Somit kann der zumindest eine Ultraschallreflektor insbesondere stoffschlüssig mit der Flüssigkeitsleitung verbunden sein. Alternativ kann der zumindest eine Ultraschallreflektor als separate Komponente ausgeführt sein. In diesem Fall kann der zumindest eine Ultraschallreflektor beispielsweise in die Flüssigkeitsleitung einsteckbar und/oder einschraubbar sein.
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Der erste Ultraschallwandler und der zweite Ultraschallwandler können mit einer Steuerung verbunden sein. Die Steuerung kann zumindest einen Mikroprozessor aufweisen. Mittels der Steuerung ist insbesondere eine Dauer bestimmbar, die der Ultraschall zur Überwindung der Ultraschallmessstrecke benötigt. Da die Dauer zur Überwindung der Ultraschallmessstrecke abhängig von einer Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung ist, ist über die Dauer die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmbar. Mithilfe der Strömungsgeschwindigkeit und eines bekannten Querschnitts der Flüssigkeitsleitung kann sodann der Volumenstrom durch die Steuerung berechnet werden.
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In der Ultraschallmessstrecke ist ein Kugelhahnventil zum Absperren der Flüssigkeitsleitung angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Kugelhahnventil in einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem zweiten Ultraschallwandler angeordnet ist. Eine derartige Anordnung führt zu einem besonders geringen Bauraumbedarf. Das Kugelhahnventil weist insbesondere eine Kugel als Absperrkörper auf. Die Kugel umfasst insbesondere eine Bohrung, durch die die Flüssigkeit bei geöffnetem Kugelhahnventil strömen kann und durch die die Ultraschallmessstrecke bei geöffnetem Kugelhahnventil verläuft. Die Flüssigkeitsleitung ist insbesondere durch eine Drehung der Kugel, beispielsweise um 90°, absperrbar. Hierzu kann das Kugelhahnventil mit einem Antrieb verbunden sein, mittels dem die Kugel drehbar ist. Der Antrieb kann ebenfalls datenleitend mit der Steuerung verbunden sein, sodass das Kugelhahnventil durch die Steuerung betätigbar ist.
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In Schritt b) wird die Ultraschallmessstrecke zur Bestimmung einer Schließstellung des Kugelhahnventils verwendet. Wird das Kugelhahnventil von einer vollständig geöffneten Stellung in Richtung einer Schließstellung verstellt, ändert sich die Güte des empfangenen Ultraschallsignals. Insbesondere verkleinert sich die Amplitude des Ultraschallsignals mit zunehmender Bewegung des Kugelhahnventils in die Schließstellung. Ist das Kugelhahnventil vollständig geschlossen, wird die Ultraschallmessstrecke durch die Kugel unterbrochen, sodass keine Ultraschallsignale zwischen dem ersten Ultraschallwandler und zweiten Ultraschallwandler messbar sind. Somit ist unter Verwendung der Ultraschallmessstrecke bestimmbar, ob das Kugelhahnventil vollständig geöffnet, teilweise offen oder geschlossen ist. Hiermit ist insbesondere auch die ordnungsgemäße Funktion des Kugelhahnventils überwachbar. Zudem ist insbesondere ein Störungssignal durch die Steuerung an ein System zur Datenverarbeitung sendbar, um einen Benutzer über eine Störung des Kugelhahnventils zu informieren, beispielsweise wenn dieses nicht ordnungsgemäß öffnet oder schließt.
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Für die Bestimmung der Schließstellung des Kugelhahnventils sind somit keine zusätzlichen Komponenten erforderlich, die Bauraum beanspruchen. Die Flüssigkeitsleitung, der erste Ultraschallwandler, der zweite Ultraschallwandler, die Steuerung, das Kugelhahnventil, der Antrieb und/oder die Ultraschallmessstrecke können zumindest teilweise in einem Gehäuse der Ultraschallmessvorrichtung angeordnet sein. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Ultraschallmessvorrichtung daher besonders kompakt ausbildbar.
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Bei geschlossenem Kugelhahnventil kann eine Kalibrierung der Ultraschallmessstrecke erfolgen. Die Kalibrierung der Ultraschallmessstrecke kann die Bestimmung einer (exakten) Gesamtlänge der Ultraschallmessstrecke umfassen. Weiterhin kann die Kalibrierung der Ultraschallmessstrecke die Bestimmung der Dauer bzw. Laufzeit des Ultraschallsignals umfassen, die das Ultraschallsignal für das Zurücklegen der Ultraschallmessstrecke (bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit von null) benötigt. Bei geschlossenem Kugelhahnventil reflektiert das Kugelhahnventil den Ultraschall zurück zum jeweiligen das Ultraschallsignal sendenden Ultraschallwandler. Hierdurch kann die Länge und/oder die Laufzeit des Ultraschallsignals entlang der Ultraschallmessstrecke zwischen dem ersten Ultraschallwandler und der Kugel des Kugelhahnventils sowie die Länge und/oder die Laufzeit des Ultraschallsignals entlang der Ultraschallmessstrecke zwischen dem zweiten Ultraschallwandler und der Kugel des Kugelhahnventils bestimmt werden. Da der Durchmesser der Kugel des Kugelhahnventils bekannt ist, ist somit die Gesamtlänge der Ultraschallmessstrecke bestimmbar. Weiterhin kann erkannt werden, ob sich die Dauer bzw. die Laufzeit des Ultraschallsignals, beispielsweise durch Kalkablagerungen an dem zumindest einen Ultraschallreflektor, geändert hat.
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Die Anzahl der Öffnungen des Kugelhahnventils kann bestimmt werden. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass durch die Bestimmung der Schließstellung des Kugelhahnventils in Schritt b) die Häufigkeit bestimmbar ist, mit der das Kugelhahnventil geöffnet wurde. Hierdurch kann insbesondere die verbleibende Lebensdauer des Kugelhahnventils geschätzt werden, sodass dieses rechtzeitig ersetzt werden kann.
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Mittels der Ultraschallmessstrecke kann eine Temperatur der Flüssigkeit bestimmt werden. Die Temperatur der Flüssigkeit ist insbesondere über eine Änderung der Geschwindigkeit des Ultraschallsignals bestimmbar. Bei einer Unterschreitung einer vorgebbaren Temperatur kann beispielsweise durch die Steuerung ein Alarmsignal an das System zur Datenverarbeitung sendbar sein, um einen Benutzer beispielsweise über eine Frostgefahr zu informieren.
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Dies hat den Vorteil, dass zur Bestimmung der Temperatur keine zusätzlichen Komponenten, wie zum Beispiel Temperatursensoren, erforderlich sind.
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Mittels der Temperatur kann erfasst werden, ob es sich bei der Flüssigkeitsleitung um eine Kaltwasserleitung oder eine Warmwasserleitung handelt. Mit der Kaltwasserleitung ist den Flüssigkeitsverbrauchern insbesondere Kaltwasser und/oder mit der Warmwasserleitung insbesondere Warmwasser, beispielsweise von einer Warmwasserquelle oder einem Boiler, zuführbar. Die Temperatur des Kaltwassers kann insbesondere maximal 25 °C (Celsius), bevorzugt 1 °C bis 25 °C, besonders bevorzugt 5 °C bis 20 °C und/oder die die Temperatur des Warmwassers insbesondere maximal 90 °C, bevorzugt 25 °C bis 90 °C, besonders bevorzugt 55 °C bis 65 °C, betragen. Das Kaltwasser und das Warmwasser sind durch den Flüssigkeitsverbraucher insbesondere zu einem Mischwasser mit einer gewünschten Mischwassertemperatur mischbar.
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Das Kugelhahnventil kann asymmetrisch in der Ultraschallmessstrecke angeordnet sein. Asymmetrisch heißt in diesem Zusammenhang insbesondere, dass das Kugelhahnventil nicht in der Mitte der Ultraschallmessstrecke zwischen dem ersten Ultraschallwandler und zweiten Ultraschallwandler angeordnet ist. Weiterhin kann dies bedeuten, dass ein erster Abstand zwischen dem ersten Ultraschallwandler und dem Kugelhahnventil nicht einem zweiten Abstand zwischen dem zweiten Ultraschallwandler und dem Kugelhahnventil entspricht. Durch die asymmetrische Anordnung des Kugelhahnventils kann der Antrieb des Kugelhahnventils besonders platzsparend angeordnet werden.
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Mittels der Ultraschallmessstrecke kann eine Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung stimmt werden. Hierdurch kann die Ultraschallmessvorrichtung mit beliebiger Einbaurichtung in die Flüssigkeitsleitung integriert werden.
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Der Druck der Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung kann bestimmt werden. Hierzu kann die Ultraschallmessvorrichtung beispielsweise einen Drucksensor aufweisen. Der Drucksensor kann ebenfalls datenleitend mit der Steuerung verbunden sein. Mittels der Bestimmung des Drucks können beispielsweise ungewöhnliche Druckabfälle erkannt werden, die zum Beispiel auf Leckagen hindeuten können.
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Zumindest ein mittels der Ultraschallmessstrecke bestimmter Messwert kann über eine Internetverbindung an ein System zur Datenverarbeitung gesendet werden. Hierzu ist insbesondere die Steuerung über die Internetverbindung datenleitend mit dem System zur Datenverarbeitung verbunden. Das System zur Datenverarbeitung ist insbesondere in einem (Cloud-)Server außerhalb der Verbrauchseinheit ausgebildet. Insbesondere ist die Häufigkeit, mit der das Kugelhahnventil geöffnet wurde, an das System zur Datenverarbeitung sendbar. Die an das System zur Datenverarbeitung gesendeten Messwerte sind durch einen Benutzer beispielsweise über ein Benutzer-Interface zum Beispiel mittels eines Smartphones abrufbar.
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Die Ultraschallmessstrecke kann in einer mit der Flüssigkeitsleitung verbundenen Ultraschallmessvorrichtung ausgebildet sein. Die Ultraschallmessvorrichtung kann insbesondere (lösbar und/oder verschraubbar) in die Flüssigkeitsleitung integriert sein. Weiterhin kann die Ultraschallmessvorrichtung die Flüssigkeitsleitung umfassen oder einen Teil der Flüssigkeitsleitung bilden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigt beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Ultraschallmessvorrichtung mit einer Flüssigkeitsleitung.
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Die 1 zeigt eine Ultraschallmessvorrichtung 9 mit einem Gehäuse 11 und einer Flüssigkeitsleitung 1. Die Flüssigkeitsleitung 1 weist einen Flüssigkeitseinlass 16 und einen Flüssigkeitsauslass 17 auf, über die die Ultraschallmessvorrichtung 9 beispielsweise an eine hier nicht gezeigte Flüssigkeitsleitung einer Verbrauchseinheit anschließbar ist. Hierzu können der Flüssigkeitseinlass 16 und/oder der Flüssigkeitsauslass 17 ein Gewinde aufweisen, das beispielsweise einen Durchmesser von 3/4 Zoll (dreiviertel Zoll) hat. Weiterhin weist die Flüssigkeitsleitung 1 eine Länge 15 auf, die insbesondere maximal 160 mm beträgt.
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In der Flüssigkeitsleitung 1 ist zwischen einem ersten Ultraschallwandler 3 und einem zweiten Ultraschallwandler 4 eine Ultraschallmessstrecke 2 ausgebildet. Hierzu sind der erste Ultraschallwandler 3 und der zweite Ultraschallwandler 4 an der Flüssigkeitsleitung 1 angeordnet. Mittels dem ersten Ultraschallwandler 3 und dem zweiten Ultraschallwandler 4 sind Ultraschallsignale sendbar und/oder empfangbar, die sich entlang der Ultraschallmessstrecke 2 bewegen. Die Ultraschallmessstrecke 2 erstreckt sich von dem ersten Ultraschallwandler 3 zunächst orthogonal zu einer Durchflussrichtung 6 der Flüssigkeit in der Flüssigkeitsleitung 1 und wird in der Flüssigkeitsleitung 1 durch einen ersten Ultraschallreflektor 12 parallel zu der Durchflussrichtung 6 in Richtung eines zweiten Ultraschallreflektors 13 umgelenkt. Der zweite Ultraschallreflektor 13 lenkt die Ultraschallmessstrecke 2 wiederum orthogonal zu der Durchflussrichtung 6 in Richtung des zweiten Ultraschallwandlers 4 um. Der erste Ultraschallwandler 3 und der zweite Ultraschallwandler 4 sind datenleitend mit einer Steuerung 10 verbunden. Mittels der Steuerung 10 ist eine Signallaufzeit der Ultraschallsignale zwischen dem ersten Ultraschallwandler 3 und dem zweiten Ultraschallwandler 4 und somit ein Volumenstrom der Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung 1 bestimmbar. Mit anderen Worten ist mittels der Steuerung 10 eine Dauer bestimmbar, die die Ultraschallsignale zum Zurücklegen der Ultraschallmessstrecke benötigen.
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Zudem ist in der Ultraschallmessstrecke 2 ein Kugelhahnventil 5 angeordnet, mittels dem die Flüssigkeitsleitung 1 absperrbar ist, sodass keine Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal 1 fließen kann. Hierzu ist das Kugelhahnventil 5 durch einen Antrieb 14 zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung bewegbar. Der Antrieb 14 ist ebenfalls datenleitend mit der Steuerung 10 verbunden, sodass das Kugelhahnventil 5 durch die Steuerung 10 betätigbar ist. Die Steuerung 10 ist über eine Internetverbindung 7 mit einem System zur Datenverarbeitung 8 verbunden, das hier außerhalb der Verbrauchseinheit in Form eines (Cloud-)Servers ausgebildet ist.
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Die Erfindung ermöglicht insbesondere besonders kompakte Ultraschallmessvorrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitsleitung
- 2
- Ultraschallmessstrecke
- 3
- erster Ultraschallwandler
- 4
- zweiter Ultraschallwandler
- 5
- Kugelhahnventil
- 6
- Durchflussrichtung
- 7
- Internetverbindung
- 8
- System zur Datenverarbeitung
- 9
- Ultraschallmessvorrichtung
- 10
- Steuerung
- 11
- Gehäuse
- 12
- erster Ultraschallreflektor
- 13
- zweiter Ultraschallreflektor
- 14
- Antrieb
- 15
- Länge
- 16
- Flüssigkeitseinlass
- 17
- Flüssigkeitsauslass
