DE102022126228A1

DE102022126228A1 - Fluidzähler, insbesondere Wasserzähler

Info

Publication number: DE102022126228A1
Application number: DE102022126228.6A
Authority: DE
Inventors: Timo Reichnek; Andreas Seifert
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2022-10-10
Filing date: 2022-10-10
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Fluidzähler (1), insbesondere Wasserzähler oder Wärmezähler, zur Bestimmung einer Durchflussmenge und/oder einer Durchflussrate eines den Fluidzähler (1) durchströmenden Fluids, wobei der Fluidzähler (1) ein Gehäuse (4) mit einem Gehäuseeinlass (2), durch den das Fluid in den Fluidzähler (1) eintritt, und einem Gehäuseauslass (3), durch den das Fluid aus den Fluidzähler (1) austritt, umfasst, wobei der Fluidzähler (1) einen stromabwärts des Gehäuseeinlasses (2) und stromaufwärts des Gehäuseauslasses (3) geschalteten und zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Messkanal (14) aufweist, wobei eine Zentrifugalkraft (26) des den Messkanal (14) durchströmenden Fluids eine geometrische Verformung des Messkanals (14) oder eines Abschnitts des Messkanals(14) bewirkt, wobei mittels eines Messsensors (32) des Fluidzählers (1) ein Messwert betreffend die geometrische Verformung erfassbar ist, wobei anhand des Messwertes die Durchflussmenge und/oder die Durchflussrate bestimmbar ist, wobei der Messkanal (14) einen mehreckigen oder ovalen Innenquerschnitt aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidzähler, insbesondere einen Wasserzähler oder einen Wärmezähler, zur Bestimmung einer Durchflussmenge und/oder einer Durchflussrate eines mit dem Fluidzähler durchströmenden Fluids, wobei der Fluidzähler ein Gehäuse mit einem Gehäuseeinlass, durch den das Fluid in den Fluidzähler eintritt, und einem Gehäuseauslass, durch den das Fluid aus dem Fluidzähler austritt, umfasst, wobei der Fluidzähler einen stromabwärts des Gehäuseeinlasses und stromaufwärts des Gehäuseauslasses geschalteten und zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Messkanal aufweist, wobei eine Zentrifugalkraft des den Messkanal durchströmenden Fluids eine geometrische Verformung des Messkanals oder eines Abschnitts des Messkanals bewirkt, wobei mittels eines Messsensors des Fluidzählers ein Messwert betreffend die geometrische Verformung erfassbar ist, wobei anhand des Messwertes die Durchflussmenge und/oder die Durchflussrate bestimmbar ist.
Fluidzähler dienen dazu, die Menge bzw. Rate des sie durchströmenden Fluids zu erfassen, etwa zu Abrechnungszwecken. In privaten Haushalten sind Fluidzähler häufig als Wasserzähler oder sogenannte Wasseruhren zur Erfassung der Wassernutzungsmenge über einen bestimmten Nutzungszeitraum zu finden. Solche Fluidzähler können z.B. Flügelradzähler sein. Diese umfassen ein Flügelrad, das von dem Fluid in Drehung versetzt wird. Anhand der Drehbewegung ist die Durchflussmenge bestimmbar. Bekannt sind zudem Ultraschall-, Scheiben -, Ringkolben-, und Woltmannzähler.
Ein Konzept für einen Fluidzähler ist aus DE 10 2017 006 121 A1 bekannt. Bei diesem Fluidzähler ist ein im Querschnitt betrachtet kreisförmiges Rohr mit einem gebogen Rohrabschnitt vorgesehen, das von dem Fluid durchströmt wird. Das Fluid bewegt sich hierbei auf einer Kreisbahn und übt eine Zentrifugalkraft auf das Rohr aus. Mittels eines Sensors wird ein Messwert betreffend diese Kraft bzw. die hierdurch bewirkte Verformung des Rohres ermittelt, wobei die Durchflussmenge anhand des Messwertes bestimmt wird.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen demgegenüber verbesserten Fluidzähler anzugeben, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten Messgenauigkeit sowie einer möglichst flexiblen Ausgestaltbarkeit.
Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe bei einem Fluidzähler der eingangs genannten Art dadurch, dass der Messkanal einen mehreckigen oder ovalen Innenquerschnitt aufweist.
Der Innenquerschnitt des erfindungsgemäßen Messkanals ist mithin mehreckig, also polygonal, oder oval, also insbesondere elliptisch. Unter dem Innenquerschnitt wird die geometrische Form der Querschnittsfläche des Messkanals verstanden, und zwar bezogen auf eine senkrecht zur Längsrichtung des Messkanals verlaufenden Schnittebene und ferner bezogen auf die dem Innern des Messkanals zugewandten Oberflächen der Wände des Messkanals. Durch den mehreckigen bzw. ovalen Innenquerschnitt des Messkanals wird vorteilhaft bewirkt, dass gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Fluidzähler mit einem gebogenen Messkanal mit kreisförmigem Innenquerschnitt eine größere Flexibilität hinsichtlich der konstruktiven bzw. geometrischen Ausgestaltung des Fluidzählers gegeben ist.
Zur genaueren Erläuterung bzw. Veranschaulichung dieses Vorteils sei der Fall angenommen, dass eine möglichst zweckmäßige konstruktive bzw. geometrische Ausgestaltung des Fluidzählers derart bestimmt werden soll, dass die sensorisch erfassbare geometrische Verformung des Messkanals bzw. des Abschnitts zur Optimierung der Messqualität möglichst groß sein soll. So wird die geometrische Verformung des Messkanals, also die Dehnung ε, umso größer, je größer die zentrifugalkraftbedingte mechanische Spannung σ im Material des, etwa als ein Rohr ausgebildeten, Messkanals ist. Diese lässt sich mittels ε = σ/E berechnen. Das Symbol E bezeichnet das E-Modul, also eine Materialkonstante. Im Falle des gekrümmt verlaufenden Messkanals tritt als Spannung σ eine Biegespannung auf, die sich zu σ = M/W ergibt, wobei M das durch die Zentrifugalkraft bewirkte Biegemoment und W das querschnittsabhängige Widerstandsmoment des Messkanals bezeichnen. Angenommen, die Werte für E und M seien konstant bzw. vorgegeben, dann wird die messbare Dehnung ε größtmöglich, wenn die Spannung σ im Material maximal wird, was sich hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung durch einen möglichst kleinen Wert für W realisieren lässt, da dieser Wert von der konkreten Querschnittsgeometrie des Messkanals abhängt.
Dieser Umstand soll nun für bestimmte Messkanalquerschnitte W genauer betrachtet werden, wobei zunächst der aus dem Stand der Technik bekannte Fall des kreisrunden Querschnitts und anschließend der erfindungsgemäße Fall des beispielhaft rechteckigen und anschließend elliptischen Querschnitts des Messkanals betrachtet wird. Hierzu sei jeweils angenommen, dass als Nebenbedingung die innere Querschnittsfläche des Messkanals, also die von dem Fluid durchströmte Fläche, konstant vorgegeben ist.
So ergibt sich im Falle eines kreisrunden Rohres als Messkanal das Widerstandsmoment zu W = π×(D⁴-d⁴)/(32D), wobei D den Außen- und d den Innendurchmesser des kreisförmigen Rohres bezeichnen. Da aufgrund der vorgegebenen inneren Querschnittsfläche der Wert für d konstant ist, besteht die einzige Möglichkeit zur Minimierung von W in einer Änderung des Parameters D, also des Außendurchmessers des Rohres. Zur Erlangung eines möglichst guten Messsignals gibt es mithin lediglich einen einzigen Freiheitsgrad bei der konstruktiven bzw. geometrischen Gestaltung des Fluidzählers bzw. des Messkanals.
Im Falle eines rechteckigen Rohres als Messkanal ergibt sich das Widerstandsmoment zu W = (B³H-b³h)/(6B), wobei B die äußere Breite des Rohres und b die Breite des Innenquerschnitts und H die äußere Höhe des Rohres und h die Höhe des Innenquerschnitts bezeichnen. Die doppelte Wandstärke des Rohres ergibt sich mithin als die Differenz zwischen B und b respektive zwischen H und h. Da aufgrund der vorgegebenen inneren Querschnittsfläche das Produkt h×b konstant ist, bestehen zur Minimierung von W mehrere Möglichkeiten, nämlich eine Änderung der Parameter B, H sowie der Größen b und h mit der Nebenbedingung des konstanten Produkts der Werte für b und h. Zur Erlangung eines möglichst guten Messsignals liegen mithin deutlich mehr Freiheitsgrade bei der konstruktiven bzw. geometrischen Gestaltung des Fluidzählers bzw. des Messkanals vor als im Fall des kreisrunden Messkanalquerschnitts.
Ein ähnliches Ergebnis resultiert im Falle eines elliptischen Rohres als Messkanals, bei dem sich das Widerstandsmoment zu W = π×(U³V-u³v)/(2U) ergibt, wobei U die äußere kleine, u die innere kleine, V die äußere große und v die innere große Halbachse des elliptischen Rohres bezeichnen. Die Wandstärke des Rohres ergibt sich mithin als die Differenz zwischen U und u respektive zwischen V und v. Aufgrund der vorgegebenen inneren Querschnittsfläche ergibt sich zudem die Nebenbedingung, dass der Wert für π×uv konstant sein muss, so dass auch hier zur Erlangung eines möglichst guten Messsignals deutlich mehr Freiheitsgrade bei der konstruktiven bzw. geometrischen Gestaltung des Fluidzählers bzw. des Messkanals gegeben sind als im Fall des kreisrunden Messkanalquerschnitts.
Der erfindungsgemäße Fluidzähler ist zur Bestimmung der Durchflussmenge und/oder - rate des Fluids vorgesehen. Unter der Durchflussmenge wird das Volumen oder die Masse des den Fluidzähler durchströmenden Fluids verstanden, insbesondere zeitlich kumuliert. Unter der Durchflussrate wird das Volumen oder die Masse des den Fluidzähler pro Zeiteinheit durchströmenden Fluids verstanden.
Neben dem Fall, dass der erfindungsgemäße Fluidzähler ein Durchflusszähler ist, ist auch denkbar, dass dieser als ein Wärmezähler ausgebildet ist. Dieser umfasst insbesondere Temperatursensoren, so dass eine Vorlauf- und Rücklauftemperatur in einem Wärmenetzwerk, in dem der Wärmezähler verbaut ist, bestimmbar ist. Die zu erfassende Wärmemenge ist anhand der bestimmten Temperatur sowie der erfassten Durchflussmenge bestimmbar.
Der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass können Anschlussstutzten mit insbesondere kollinearen Längsachsen sein, sodass der Fluidzähler in eine geradlinige Fluidleitung eingesetzt werden kann. Die Stutzen können Gewinde aufweisen, über die der Fluidzähler mittels etwa Rohrmuttern in die Fluidleitung eingesetzt werden kann.
Zwischen dem Gehäuseeinlass und dem Gehäuseauslass ist der gekrümmt verlaufende Messkanal angeordnet. Das heißt, dass das den Fluidzähler durchströmende Fluid über den Gehäuseeinlass in den Fluidzähler eintritt, anschließend den Messkanal durchströmt und schließlich durch den Gehäuseauslass aus dem Fluidzähler austritt. Dadurch, dass das Fluid seine Strömungsrichtung während des Durchströmens des Messkanals ändert, entsteht aufgrund der Massenträgheit des Fluids eine Zentrifugalkraft, die auf den Messkanal bzw. eine Wand des Messkanals wirkt. Aufgrund der Elastizität des Messkanals bzw. dessen Wand verursacht die Zentrifugalkraft eine Verformung respektive Verbiegung des Messkanals bzw. dessen Wand, die umso größer ist, je größer die Zentrifugalkraft und umso kleiner das Widerstandsmoment des Messkanalquerschnitts ist. Die Zentrifugalkraft wiederum wird mit steigender Durchflussrate des Fluids umso größer. Die Verformung ist reversibel. In dem Fall, in dem aktuell kein Fluid durch den Fluidzähler strömt und die Durchflussrate den Wert 0 hat, liegt keine Verformung des Messkanals vor.
Mittels des Messensors ist der Messwert erfassbar, der von der geometrischen Verformung des Messkanals abhängt. Der Messwert beschreibt die Stärke bzw. das Ausmaß oder die Auslenkung der zentrifugalkraftbedingten geometrischen Verformung des Messkanals. Der Messwert kann mittels einer Steuerungseinrichtung, insbesondere des Fluidzählers, ausgewertet werden. Mittels eines auf der Steuerungseinrichtung hinterlegten analytischen Modells und/oder einer Lookup-Tabelle kann anhand des Messwertes die zugehörige Durchflussrate und gegebenenfalls -menge bestimmt werden.
Der Messkanal kann einen rechteckigen Innenquerschnitt aufweisen. Insbesondere können zwei gegenüberliegende Wände des Messkanals senkrecht und die beiden anderen gegenüberliegenden Wände des Messkanals parallel zu der Ebene, innerhalb der der gekrümmte Messkanal verläuft, angeordnet sein. Sowohl im allgemeinen Fall des mehreckigen bzw. polygonalen Innenquerschnitts als auch im speziellen Fall des rechteckigen Innenquerschnitts kann vorgesehen sein, dass die Ecken des Innenquerschnitts abgerundet sind. Alternativ kann der Messkanal einen elliptischen Innenquerschnitt aufweisen.
Bevorzugt weist die den Messkanal begrenzende Wand eine gleichbleibende Wandstärke auf. Insbesondere können alle den Messkanal begrenzende Wände eine gleichbleibende und vorzugsweise überall gleiche Wandstärke auf. Die Dicke der Wand bzw. der Wände weist mithin an jeder Stelle den gleichen Wert auf, ausgenommen etwa die Ecken des polygonalen Innenquerschnitts. Ein solcher Messkanal ist einfach herzustellen und bezüglich einer theoretischen bzw. rechnerischen Beschreibung der Messung einfach modellierbar.
Besonders bevorzugt ist oder umfasst der Messkanal ein gebogenes Rohr. Besonders bevorzugt ist der Messkanal ein Rechteck- bzw. Vierkantrohr. Dieses kann kreisförmig gebogen sein, so dass sich die Längsachse des Messkanals entlang einer Kreisbahn mit konstantem Krümmungsradius erstreckt.
Das Rohr bzw. der Messkanal kann aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polypropylen oder Polyethylen, und/oder einem Metall, insbesondere Edelstahl, bestehen. Kunststoff weist den Vorteil auf, dass das E-Modul im Vergleich zu anderen Werkstoffen mit etwa Metall typischerweise niedriger ist und mithin die fliehkraftbedingte geometrische Verformung größer und folglich messtechnischen besser erfassbar ist. Metall hat hingegen den Vorteil, dass es, etwa im Vergleich zu Kunststoffen, eine größere Langlebigkeit aufweist. Die Auswahl des Werkstoffs des Rohres hängt letztlich von den konkreten, anwendungsspezifischen Gegebenheiten ab.
Denkbar ist auch, dass der Messkanal mehrteilig ausgeführt ist. So kann vorgesehen sein, dass der Messkanal im Bereich des Messsensors, also insbesondere dort, wo die größte Spannung auftritt, aus einem Kunststoff besteht, um dort eine möglichst große Verformung zur Verbesserung des Messkanals zu realisieren. Der Messsensor kann in dieser Ausführungsform mit dem Kunststoff umspritzt sein. Der Kunststoffabschnitt des Messkanals ist mit den übrigen Messkanalabschnitten fluiddicht verbunden.
Sofern der Messkanal ein Rohr aus Kunststoff mit rechteckigem Innenquerschnitt ist, der im Rahmen eines in einem privaten Haushalt vorgesehenen Wasserzählers zum Einsatz kommt, können die Wände eine Stärke bzw. Dicke zwischen 0,25 mm und 2 mm aufweisen. Die Höhe und die Breite des rechteckigen Innenquerschnitts kann zwischen 5 mm und 50 mm betragen. Der Krümmungsradius des Rohres kann zwischen 10 mm und 100 mm betragen. Der Messkanal kann sich entlang eines Umlaufwinkels zwischen 90° und 360° erstrecken. Für andere Anwendungszwecke, bei denen deutlich größere oder kleinere Durchflussmengen bzw. Durchflussraten messbar sein sollen, können die Geometrien entsprechend abweichen, selbst um mehrere Größenordnungen.
Das Rohr kann eine eintrittsseitige Öffnung, durch die das Fluid in das Rohr eintritt, und eine austrittsseitige Öffnung, durch die das Fluid aus dem Rohr austritt, aufweisen, wobei das Rohr nur einseitig im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung befestigt sein kann. Im Übrigen ist das Rohr freihängend bzw. -schwebend. Das Rohr kann an seinem eintrittsseitigen Ende an einer, etwa bezüglich eines Gehäuses des Fluidzählers, ortsfesten Komponente befestigt sein, etwa über eine Schraub-, Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung. So bewirkt die Zentrifugalkraft ein an der Befestigungs- bzw. Einspannstelle des Rohres angreifendes Drehmoment, das ausschließlich durch ein aufgrund der Verformung des Rohres bewirktes Gegendrehmoment kompensiert wird. Die Auslenkung der Verformung ist im Vergleich zu dem Fall, in dem das Rohr auch an weiteren Stellen befestigt ist, am größten, was für die Messung vorteilhaft ist.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt ist, dass das Fluid den Messkanal über die austrittsseitige Öffnung des Rohres verlässt, wobei an dieser Stelle eine Rückstoßkraft auf das Rohr auftritt. Ein ähnlicher Effekt tritt bei einem Wasserschlauch wie einem Feuerwehrschlauch auf. Die Rückstoßkraft hängt, wie die Zentrifugalkraft, von der Durchflussmenge des Fluids ab und erhöht das auf die Einspannstelle des Rohres wirkende Drehmoment und so die geometrische Verformung unter bestimmten Voraussetzungen, so dass eine noch genauere Messung ermöglicht wird. Diese Voraussetzungen betreffen etwa die Relativposition zwischen der Lage der Austrittsöffnung und der Einspannstelle.
Der Messsensor kann wenigstens ein in oder an dem Messkanal angeordneter Dehnungsmessstreifen sein oder wenigstens einen solchen umfassen. Der Dehnungsmessstreifen ist ein längliches Sensorbauteil mit einer Länge und einer Breite. Die Längsrichtung des Dehnungsmessstreifens erstreckt sich bevorzugt parallel zur Längsrichtung des Messkanals. Der Dehnungsmessstreifen kann, etwa mittels eines Klebers, innen- oder außenseitig an der Wand des Messkanals befestigt sein. Die Verformung des Messkanals wird auf den Dehnungsmessstreifen übertragen. Diese Verformung beeinflusst den elektrischen Widerstand des Dehnungsmessstreifens, so dass der Messwert die Stromstärke eines durch den Dehnungsmessstreifen fließenden elektrischen Stroms beschreiben kann. Es können mehrere Dehnungsmessstreifen vorgesehen sein, wobei jeder Dehnungsmessstreifen ein Messsignal liefert. Insbesondere können die Messsignale bezüglich der jeweils implizierten Durchflussrate gemittelt und/oder auf gegenseitige Konsistenz hin überprüft werden. Die Dehnungsmessstreifen können zur Verbesserung der Messung gemäß einer Halb- oder Vollbrücke verschaltet sein.
Sofern das Rohr nur einseitig im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung befestigt ist, ist bezüglich des als Dehnungsmessstreifen vorgesehenen Messsensors besonders bevorzugt vorgesehen, dass dieser, bezogen auf den gekrümmten Verlauf des Rohres, radial innenseitig und im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung angeordnet ist. Da in dieser Ausführungsform in dem radial gesehen innenseitigen Bereich des Rohres und an der Einspannstelle des Rohres die größte Verformung zu erwarten ist, ist die Anordnung des Messsensors an dieser Stelle besonders vorteilhaft. Der Abstand zwischen der eintrittsseitigen Öffnung und dem Dehnungsmessstreifen sollte möglichst kurz sein.
Das Gehäuse des Fluidzählers kann aus einem Metall, etwa Edelstahl oder Messing, und/oder aus Kunststoff bestehen. Es kann einen Aufnahmeraum aufweisen, in dem ein Einsatz eingesetzt ist, der den Aufnahmeraum in eine erste Kammer und eine zweite Kammer derart aufteilt, dass das den Fluidzähler durchströmende Fluid zuerst in die erste Kammer und anschließend in die zweite Kammer strömt, wobei das Fluid beim Eintritt in die zweite Kammer den innerhalb der zweiten Kammer angeordneten Messkanal durchströmt. Der Einsatz ist eine separate Komponente des Fluidzählers, wobei eine fluiddichte Abdichtung zwischen den Kammern gegeben ist, so dass das Fluid beim Übertritt von der ersten in die zweite Kammer zwangsläufig den Messkanal durchströmt. Der Aufnahme- bzw. Innenraum des Gehäuses wird in dieser Ausführungsform in mehrere Kammern unterteilt, die nacheinander von dem Fluid durchströmt werden. Das Fluid gelangt nach dem Eintritt in den Fluidzähler nicht unmittelbar in den Messkanal, sondern zunächst in die erste Kammer. Hierdurch erfolgt eine Homogenisierung der Fluidströmung, was sich positiv auf die Messqualität auswirkt.
Bevorzugt weist der Einsatz eine Trennplatte, die die Kammern voneinander abtrennt, und einen die Trennplatte durchsetzenden Überführungskanal auf, wobei der Überführungskanal die erste Kammer und den Messkanal fluidisch verbindet. Eine Einlassöffnung des in den Messkanal mündenden Überführungskanals ist in der ersten Kammer angeordnet. Das Fluid strömt von der ersten Kammer in den Überführungskanal, anschließend weiter in den Messkanal und schließlich in die zweite Kammer, in der der Messkanal angeordnet ist.
Der Einsatz kann einen die Trennplatte durchsetzenden weiteren Überführungskanal aufweisen, wobei der weitere Überführungskanal die zweite Kammer und den Gehäuseauslass fluidisch verbindet. Alternativ kann der weitere Überführungskanal die zweite Kammer und einen dem Gehäuseauslass vorgeschalteten Abschnitt fluidisch verbinden. Eine Einlassöffnung des in den Gehäuseauslass oder in den dem Gehäuseauslass vorgeschalteten Abschnitt mündenden weiteren Überführungskanals ist in der zweiten Kammer angeordnet. Das Fluid durchströmt die Trennplatte über den Überführungskanal zunächst von der einen auf die andere Seite, anschließend die Messstrecke und schließlich über den weiteren Überführungskanal die Trennplatte erneut überwindend wieder zurück zur Ausgangsseite. Das Fluid gelangt letztlich wieder in den selben Abschnitt des Gehäuses, in den es hierin bereits eingeströmt ist. Der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass können in dieser Ausführungsform mithin nahe beieinander, insbesondere an derselben Seite des Gehäuses, angeordnet sein, wobei deren Längsachsen bevorzugt kollinear zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidzählers ist die Trennplatte rund und derart in dem zylinder- oder topfförmigen Aufnahmeraum angeordnet, dass die beiden Kammern übereinander angeordnet sind. Zwischen der kreisrunden Trennplatte und der Innenwand des kreisrunden Gehäuses kann ein Dichtmittel wie beispielsweise ein O-Ring aus einem Elastomer angeordnet sein. Bevorzugt ist die erste Kammer unter der zweiten Kammer angeordnet, so dass der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass unten am Fluidzähler angeordnet sind.
Der Überführungskanal kann sich im radialen Außenbereich des Aufnahmeraums erstrecken und in den sich im radialen Außenbereich der zweiten Kammer erstreckenden Messkanal münden. Der Überführungskanal kann insbesondere entlang einer Schrauben- bzw. Helixbahn verlaufen, also bezüglich der Horizontalebene des Fluidzählers entlang einer Kreisbahn und entlang der Hochrichtung des Aufnahmeraums. Der Messkanal ist insbesondere deshalb bevorzugt im radialen Außenbereich der zweiten Kammer bzw. des Aufnahmeraums angeordnet, da hierdurch der Krümmungsradius des Messkanals größtmöglich wird, was für die Messung vorteilhaft ist.
Bezüglich des weiteren Überführungskanals kann vorgesehen sein, dass sich dieser im radialen Innenbereich, insbesondere im radialen Zentrum, des Aufnahmeraums erstreckt. Die Überführung des Fluids von der ersten Kammer in die zweite Kammer und das zugehörige Durchströmen des Fluids durch den Messkanal erfolgt im radialen Außenbereich und die Rückführung des Fluids von der zweiten Kammer zurück zum Bereich des Gehäuses, in dem sich der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass befinden, erfolgt im radialen Innenbereich des Aufnahmeraums. Der weitere Überführungskanal kann ein rohrartiger Abschnitt des Einsatzes sein, von dessen oberen Ende sich die Trennplatte flanschartig bzw. radial abstehend erstrecken kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindungen ergeben sich anhand des nachfolgend erläuternden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidzählers sowie anhand der schematischen Figuren. Hierbei zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fluidzählers,
2 eine Seitenansicht auf einen Einsatz des Fluidzählers der 1,
3 eine geschnittene Ansicht des Einsatzes der 2 entlang der Linie III - III, und
4 eine der 3 entsprechende Schnittansicht durch einen freigeschnittenen Messkanal des Einsatzes der 2 und 3.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidzählers 1 in Form einer Explosionsansicht. Der Fluidzähler 1 ist ein Wasserzähler bzw. eine Wasseruhr. Mittels des Fluidzählers 1 ist eine Durchflussmenge und -rate eines den Fluidzähler 1 durchströmenden Fluids, nämlich Wasser oder einer anderen Flüssigkeit, bestimmbar. Das Wasser tritt über einen Gehäuseeinlass 2 in den Fluidzähler 1 ein und verlässt diesen über einen Gehäuseauslass 3. Der Gehäuseeinlass 2 und der Gehäuseauslass 3 sind Anschlussstutzen eines Gehäuses 4 des Fluidzählers 1. Die durch die gestrichpunktete Linie 5 angedeuteten Längsrichtungen des Gehäuseeinlasses 2 und des Gehäuseauslasses 3 sind kollinear, so dass der Fluidzähler 1 in eine gerade verlaufende und in den Figuren nicht näher dargestellte Wasserversorgungsleitung einsetzbar ist. Der Fluidzähler 1 kann auch als ein in ein Wärmenetz einzusetzender Wärmezähler ausgebildet sein, der Temperatursensoren zur Messung des diesen Zähler durchströmenden Fluids aufweist. Anhand der gemessenen Durchflussmenge und der gemessenen Temperaturwerte lässt sich die entsprechende Wärmemenge bestimmen.
Das Gehäuse 4 begrenzt einen zylinder- bzw. topfförmigen Aufnahmeraum 6 des Fluidzählers 1, in den ein Einsatz 7 eingesetzt ist. Das Gehäuse 4 besteht beispielhaft aus Messing und der Einsatz 7 aus Kunststoff. Der Aufnahmeraum 6 ist oberseitig mittels eines Gehäusedeckels 8 und eines Dichtringes 9, der ein O-Ring aus einem Elastomer ist, fluiddicht abgeschlossen. Details bezüglich des Einsatzes 7 sind in den 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt den Einsatz 7 vergrößert und 3 eine geschnittene Ansicht des Einsatzes 7 entlang der in 2 gezeigten Schnittline III - III mit Blickrichtung nach oben.
Das den Fluidzähler 1 durchströmende Wasser tritt über den Gehäuseeinlass 2 in den Fluidzähler 1 ein und gelangt in eine erste Kammer 10 des Aufnahmeraums 6. Die erste Kammer 10 wird nach unten von dem Boden des Aufnahmeraums 6 und seitlich nach außen von der Innenwand des Gehäuses 4 begrenzt. Nach oben wird die erste Kammer 10 von einer Trennplatte 11 des Einsatzes 7 begrenzt, wobei zwischen der Trennplatte 11 und der Innenwand des Gehäuses 4 ein Dichtring 12, nämlich ein O-Ring aus Elastomer, eingesetzt ist. Der Gehäuseeinlass 2 sowie die Innenwand des Gehäuses 4 sind in 2 durch gestrichelte Linien schematisch angedeutet.
Die Trennplatte 11 ist von einem Überführungskanal 13 durchsetzt, dessen Einlassöffnung in der ersten Kammer 10 angeordnet ist und der sich entlang einer Helix- bzw. Schraubenbahn im radialen Außenbereich des Aufnahmeraums 6 nach oben durch die runde Trennplatte 11 hindurch erstreckt. Das Wasser strömt von der ersten Kammer 10 in den Überführungskanal 13. Der Überführungskanal 13 mündet in einen Messkanal 14, der gekrümmt verläuft und der sich im radialen Außenbereich einer zweiten Kammer 15 des Aufnahmeraums 6 erstreckt. Nach dem Durchströmen des Messkanals 14 gelangt das Wasser in die zweite Kammer 15. Die Trennplatte 11 trennt die übereinander angeordneten Kammern 10, 15 voneinander ab. Nach oben wird die zweite Kammer 15 von dem Gehäusedeckel 8, seitlich nach außen von der Innenwand des Gehäuses 4 und nach unten von der Trennplatte 11 begrenzt.
Der Einsatz 7 weist einen die Trennplatte 11 durchsetzenden weiteren Überführungskanal 16 auf, dessen Einlassöffnung in der zweiten Kammer 15 angeordnet ist und der in einen dem Gehäuseauslass 3 vorgeschalteten Abschnitt 17 mündet. Der Abschnitt 17 und der Gehäuseauslass 3 sind in der 2 durch gepunktete Linien angedeutet. Der weitere Überführungskanal 16 ist ein rohrartiger Abschnitt des Einsatzes 7, von dessen oberen Ende die Trennplatte 11 flanschartig in Radialrichtung absteht. Der weitere Überführungskanal 16 erstreckt sich entlang des radialen Zentrums des Aufnahmebereichs 6. Der dem Gehäuseauslass 3 vorgeschaltete Abschnitt 17 ist mittels eines Dichtrings 18, nämlich eines O-Rings aus Elastomer, der stirnseitig an dem weiteren Überführungskanal 16 angeordnet ist, gegenüber der ersten Kammer 10 abgedichtet.
Mittels des weiteren Überführungskanals 16 gelangt das Wasser von der zweiten Kammer 15 wieder in den unteren Bereich des Fluidzählers 1, in dem auch die erste Kammer 10 angeordnet ist. Hierdurch wird es ermöglicht, dass der Gehäuseeinlass 2 und der Gehäuseauslass 3 unten am Fluidzähler 1 angeordnet sein können und deren Längsachsen gemäß der Linie 5 insbesondere kollinear sind.
Nachfolgend werden Details zum Prinzip der Messung der Durchflussmenge und -rate des den Fluidzähler 1 durchströmenden Fluids erläutert. Eine zentrale Komponente hierbei ist der Messkanal 14, der einen mehreckigen, exemplarisch einen rechteckigen, Innenquerschnitt aufweist und der ein kreisförmig gebogenes Rohr 19 aus einem Kunststoff oder alternativ aus einem Metall ist. Die den Messkanal 14 begrenzenden Wände 20, 21 sind derart angeordnet, dass zwei gegenüberliegende Wände 20 senkrecht und die beiden anderen gegenüberliegenden Wände 21 des Messkanals 14 parallel zu der Ebene 22 angeordnet sind, innerhalb der der Messkanal 14 respektive das Rohr 19 verläuft. Die Wände 20, 21 weisen eine gleichbleibende bzw. konstante Wandstärke auf. Alternativ kann der Innenquerschnitt des Messkanals 14 bei dem erfindungsgemäßen Fluidzähler auch oval, besonders bevorzugt elliptisch, ausgebildet sein.
4 zeigt den freigeschnittenen Messkanal 14 gemäß 3. Bezüglich des Rohres 19 können, je nach Anwendungszweck, unterschiedliche Abmessungen vorgesehen sein. Im Falle eines im Rahmen eines privaten Haushalts vorgesehenen Wasserzählers mit einem Rohr 19 aus Kunststoff können die Wände 20, 21 eine Stärke bzw. Dicke zwischen 0,25 mm und 2 mm aufweisen. Die Höhe und die Breite des rechteckigen Innenquerschnitts kann zwischen 5 mm und 50 mm betragen. Der Krümmungsradius des Rohres beträgt bevorzugt zwischen 10 mm und 100 mm, wobei sich der Messkanal 14 entlang eines Umlaufwinkels zwischen 90° und 360° erstreckt. Insbesondere in dem Fall, in dem der Messkanal 14 einen Umlaufwinkel von 360° aufweist, erstreckt sich der Messkanal 14 zusätzlich entlang einer Hochrichtung und weist mithin eine Schrauben- bzw. Helixform auf. Für den im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehenen Messkanal ist beispielhaft vorgesehen, dass die Wände 20, 21 eine Stärke bzw. Dicke von 0,75 mm aufweisen. Die Höhe des rechteckigen Innenquerschnitts beträgt, von Innenfläche zu Innenfläche, 16 mm und die Breite, ebenfalls von Innenfläche zu Innenfläche, 6 mm. Der Krümmungsradius 23 des Rohres 19 beträgt 17 mm. Die Ecken des Innenquerschnitts des Rohres 19 sind abgerundet. Bezogen auf die Ebene 22 ist der Radius 23 der Abstand zwischen dem Mittelpunkt 24 der Kreisbahn und dem in Radialrichtung gesehenen Mittelpunkt des Rohres 19. Der Messkanal 14 erstreckt sich entlang eines Umlaufwinkels 25 von 145°.
Bezogen auf die 4 weist das Rohr 19 eine eintrittsseitige Öffnung 28, durch die Wasser in den Messkanal 14 eintritt, und eine austrittsseitige Öffnung 29, durch die Wasser hieraus wieder austritt, auf. Das Wasser durchströmt den Messkanal 14 bezüglich der 4 mithin im Urzeigersinn. Sofern das Wasser durch den Messkanal 14 strömt, dann entsteht eine auf das Rohr 19 wirkende Zentrifugalkraft 26, die im Schwerpunkt 27 der sich in dem Messkanal 14 befindenden Fluidmasse angreift. Das Rohr 19 ist lediglich einseitig befestigt, und zwar im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung 28. Die schematisch angedeutete Befestigungsstelle 37 ist mithin die Stelle, an der der Überführungskanal 13 in den Messkanal 14 mündet, wobei das Rohr 19 in diesem Bereich an dem Einsatz 7 befestigt ist. Im Übrigen ist das sich insgesamt in der zweiten Kammer 15 befindende Rohr 19 freihängend bzw. -schwebend. Da das Wasser aus der austrittsseitigen Öffnung 29 aus dem Messkanal 14 respektive Rohr 19 austritt, entsteht dort eine entsprechende Rückstoßkraft 30.
Die Zentrifugalkraft 26 und die Rückstoßkraft 30 bewirken insgesamt ein auf das Rohr 19 wirkendes und an der Befestigungsstelle 37 angreifendes Drehmoment 31, was wiederum eine elastische Verformung des Messkanals 14 bewirkt. Die Verformung bzw. Verbiegung des Rohres 19 erfolgt, bezogen auf 4, entgegen dem Uhrzeigersinn. Da die Stärke bzw. die Auslenkung der geometrischen Verformung des Rohres 19 von der Zentrifugalkraft 26 und von der Rückstoßkraft 30 abhängt, die wiederum von der Durchflussrate des Wassers abhängen, wird bei dem vorliegenden Fluidzähler 1 die Verformung zur Bestimmung der Durchflussrate genutzt.
So wird mittels eines Messsensors 32, der vorliegend ein Dehnungsmessstreifen 33 ist, ein Messwert betreffend die geometrische Verformung des Messkanals 14 erfasst. Der Messsensor 32 respektive Dehnungsmessstreifen 33 ist radial innenseitig im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung 28 an das Rohr 19 geklebt, sodass die geometrische Verformung des Rohres 19, die in diesem Bereich am größten ist, auf den Messsensor 32 übertragen wird. Der Dehnungsmessstreifen 33 oder ein weiterer Dehnungsmessstreifen kann auch radial außenseitig an dem Rohr 19 vorgesehen sein.
Der mittels des Messsensors 32 erfasste Messwert wird an eine nicht näher gezeigte Steuerungseinrichtung übertragen, die mittels einer analytischen Rechenvorschrift und/oder einer Lookup-Tabelle die aktuelle Durchflussrate in Abhängigkeit des Messwertes bestimmt. Hieraus wiederum wird mittels der Steuerungseinrichtung die zeitlich kumulierte Durchflussmenge ermittelt. Im bereits genannten Fall, dass der Fluidzähler 1 ein Wärmezähler ist, umfasst dieser die genannten Temperatursensoren, so dass eine Vorlauf- und Rücklauftemperatur in dem Wärmenetzwerk, in dem der Wärmezähler verbaut ist, bestimmbar ist. Die zu erfassende Wärmemenge wird hierbei anhand der bestimmten Temperatur sowie der Durchflussmenge bestimmt.
Im Zusammenhang mit der Erfassung des Messwertes ist in einem Elektronikaufnahmebereich 34 des Einsatzes 7 (siehe 3) eine mit dem Messsensor 32 verbundene und in den Figuren nicht näher gezeigte Messelektronik angeordnet. Diese ist über durch eine Kontaktierungsöffnung 35 verlaufende Kabel mit einem in den Gehäusedeckel 8 eingesetzten Kontaktierungseinsatz 36 verbunden, über den der Messwert an die Steuerungseinrichtung übertragen wird. Die Steuerungseinrichtung kann eine Komponente des Fluidzählers 1 sein. Die Steuerungseinrichtung kann extern vorgesehen sein, wobei der Messwert über beispielsweise eine Funkübertragung oder dergleichen übertragen wird.
Bezugszeichenliste

1: Fluidzähler
2: Gehäuseeinlass
3: Gehäuseauslass
4: Gehäuse
5: Linie
6: Aufnahmeraum
7: Einsatz
8: Gehäusedeckel
9: Dichtring
10: erste Kammer
11: Trennplatte
12: Dichtring
13: Überführungskanal
14: Messkanal
15: zweite Kammer
16: Überführungskanal
17: Abschnitt
18: Dichtring
19: Rohr
20: Wand
21: Wand
22: Ebene
23: Radius
24: Mittepunkt
25: Umlaufwinkel
26: Zentrifugalkraft
27: Schwerpunkt
28: eintrittsseitige Öffnung
29: austrittsseitige Öffnung
30: Rückstoßkraft
31: Drehmoment
32: Messsensor
33: Dehnungsmessstreifen
34: Elektronikaufnahmebereich
35: Kontaktierungsöffnung
36: Kontaktierungseinsatz
37: Befestigungsstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017006121 A1 [0003]

Claims

Fluidzähler (1), insbesondere Wasserzähler oder Wärmezähler, zur Bestimmung einer Durchflussmenge und/oder einer Durchflussrate eines den Fluidzähler (1) durchströmenden Fluids, wobei der Fluidzähler (1) ein Gehäuse (4) mit einem Gehäuseeinlass (2), durch den das Fluid in den Fluidzähler (1) eintritt, und einem Gehäuseauslass (3), durch den das Fluid aus den Fluidzähler (1) austritt, umfasst, wobei der Fluidzähler (1) einen stromabwärts des Gehäuseeinlasses (2) und stromaufwärts des Gehäuseauslasses (3) geschalteten und zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufenden Messkanal (14) aufweist, wobei eine Zentrifugalkraft (26) des den Messkanal (14) durchströmenden Fluids eine geometrische Verformung des Messkanals (14) oder eines Abschnitts des Messkanals(14) bewirkt, wobei mittels eines Messsensors (32) des Fluidzählers (1) ein Messwert betreffend die geometrische Verformung erfassbar ist, wobei anhand des Messwertes die Durchflussmenge und/oder die Durchflussrate bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (14) einen mehreckigen oder ovalen Innenquerschnitt aufweist.
Fluidzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (14) einen rechteckigen oder elliptischen Innenquerschnitt aufweist.
Fluidzähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Wände (20) des Messkanals (14) senkrecht und die beiden anderen gegenüberliegenden Wände (21) des Messkanals (14) parallel zu der Ebene (22), innerhalb der der gekrümmte Messkanal verläuft, angeordnet sind.
Fluidzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Messkanal (14) begrenzende Wand (20,21) eine gleichbleibende Wandstärke aufweist.
Fluidzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (14) ein, insbesondere kreisförmig, gebogenes Rohr (19) ist oder ein solches umfasst.
Fluidzähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (19) aus einem Kunststoff und/oder einem Metall besteht.
Fluidzähler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (19) eine eintrittsseitige Öffnung (28), durch die das Fluid in das Rohr (19) eintritt, und eine austrittsseitige Öffnung (29), durch die das Fluid aus dem Rohr (19) austritt, aufweist, wobei das Rohr (19) nur einseitig im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung (28) befestigt ist.
Fluidzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (32) wenigstens ein in oder an dem Messkanal (14) angeordneter Dehnungsmessstreifen (33) ist oder wenigstens einen solchen umfasst.
Fluidzähler nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dehnungsmessstreifen (33), bezogen auf den gekrümmten Verlauf des Rohres (19), radial innenseitig und im Bereich der eintrittsseitigen Öffnung (28) angeordnet ist.
Fluidzähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einen Aufnahmeraum (6) aufweist, in dem ein Einsatz (7) eingesetzt ist, der den Aufnahmeraum (6) in eine erste Kammer (10) und eine zweite Kammer (15) derart aufteilt, dass das den Fluidzähler (1) durchströmende Fluid zuerst in die erste Kammer (10) und anschließend in die zweite Kammer (15) strömt, wobei das Fluid beim Eintritt in die zweite Kammer (15) den innerhalb der zweiten Kammer (15) angeordneten Messkanal (14) durchströmt.
Fluidzähler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (7) eine Trennplatte (11), die die Kammern (10, 15) voneinander abtrennt, und einen die Trennplatte (11) durchsetzenden Überführungskanal (13) aufweisen, wobei der Überführungskanal (13) die erste Kammer (10) und den Messkanal (14) fluidisch verbindet.
Fluidzähler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (7) einen die Trennplatte (11) durchsetzenden weiteren Überführungskanal (16) aufweist, wobei der weitere Überführungskanal (16) die zweite Kammer (15) und den Gehäuseauslass (3) oder die zweite Kammer (15) und einen dem Gehäuseauslass (3) vorgeschalteten Abschnitt (17) fluidisch verbindet.
Fluidzähler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennplatte (11) rund und derart in dem zylinder- oder topfförmigen Aufnahmeraum (6) angeordnet ist, dass die beiden Kammern (10, 15) übereinander angeordnet sind.
Fluidzähler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Überführungskanal (13), insbesondere entlang einer Helixbahn, im radialen Außenbereich des Aufnahmeraums (6) erstreckt und in den sich im radialen Außenbereich der zweiten Kammer (15) erstreckenden Messkanal (14) mündet.
Fluidzähler nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der weitere Überführungskanal (16) im radialen Innenbereich, insbesondere im radialen Zentrum, des Aufnahmeraums (6) erstreckt.