DE19728392A1 - Fluidströmungsmesser - Google Patents

Description

Flüssigkeits- und Gaszähler, insbesondere Wasserzähler, werden mechanisch oder elektrisch abgelesen. Elektrische Flüssigkeits- oder Gaszähler werden entweder direkt abgelesen, da der Meßwert über eine Batterie und ein Anzeigegerät (z. B. LCD) angezeigt wird, oder aus der Ferne. Auch in so einem Fall muß der aktuelle Meßwert den Speicher und die Elektronik über eine Batterie versorgen. Sowohl die periodische Umtauschung der Batterie wie auch die Stromversorgung des Zählers mit langen Leitungen ist mit Kosten für Material oder Arbeitszeitaufwand verbunden. Die hier vorgeschlagene Verwendung von erneuerbaren Energien ist technisch sinnvoll. Aus diesem Grund werden Flüssigkeits- oder Gaszähler benötigt, die autonom sind, d. h., die ohne Zufügung von Energie in Form von Batterien oder Zuleitungen tätig sein können. Der Meßwert kann dann ohne Zufuhr von extern erzeugter Energie im Speicher ein- und ausgelesen, abgerufen und gesendet werden.

Die Ablesung des Meßwerts durch ein Abrufsignal und der externe Empfang der verzögerten Meßwertsendung geschieht bereits für einzelne Zähler oder gemeinsam für eine größere Zahl von Zählern, die z. B. in einem großen Gebäude installiert sind und über einen gemeinsamen Sender und Empfänger über Draht oder drahtlos betätigt werden (bis z. B. 300 m).

Inhalt dieser Erfindung ist ein autonomer Flüssigkeits- oder Gas-, z. B. Wasserzähler, in dem die Meßwerte sowohl gespeichert als auch über einzelne oder gemeinsame Sende- bzw. Empfangsanlagen abgelesen werden können. Alternativ kann mit Hilfe eines akustischen Empfängers bzw. Senders, daher über einen Wandler, ein Körperschallsignal vom Rohrsystem empfangen und der aktuelle Zählerstand über das Rohrsystem gesendet werden.

Dies kann auch über Luftschall mit Mikrofon bzw. Lautsprecher oder über optische Signalgeber bzw. -sender und optische Signalempfänger (über Luft- oder Lichtwellenleiter) erfolgen.

Der notwendige Strom zur Betreibung der Elektronik und eventueller Empfänger und Sender wird von einem Generator (2) erzeugt, der auf der gleichen Welle wie eine in dem Flüssigkeits- oder Gasstrom befindliche Turbine oder Schaufelrad (1) betrieben werden kann. Die Ausgangsspannungen (17) des Generators (2) werden dem Spannungsregler (4) zugeleitet, wie aus Bild 1 zu erkennen ist. Die Einzelheiten eines möglichen Spannungsreglers sind in Bild 4 wiedergegeben. Die Ausgangsspannung (24) des Spannungsreglers wird der Elektronik (8, 9 und 10) zugeführt. Jedoch kann der Spannungsregler auch einen Empfänger und Sender (26) oder einen akustischen Empfänger und Sender (30) oder einen optischen Empfänger und Sender versorgen.

Üblicherweise wird der eine Spannungspol, im vorliegenden Beispiel der negative, geerdet (5). Siehe Bild 1 und 4.

Im Bild 4 wird gezeigt, wie die Eingangsspannung (17) vom Generator auf zwei Widerstände (18) aufgeteilt wird, die jeweils einer Diode (21) zugeleitet werden, die ihrerseits entweder einen Kondensator (22) oder eine aufladbare Batterie (Akku) (23) aufladen. Die Spannungen des Kondensators (22) oder der Batterie (23) werden über Widerstände (20) und Dioden (19) als Versorgungsspannung für die Elektronik und unter Umständen für diverse Sender und Empfänger herausgegeben (24).

Auf der gleichen Welle, z. B. der Turbine oder dem Generator, kann auch ein mechanischer Zähler (3) angebracht werden, der als zusätzliche Sicherheit und aus Bequemlichkeitsgründen eine unmittelbare Ablesung des Meßwertes ermöglicht.

Wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas in die Umgebung der Turbine strömt, dreht sich diese bzw. das Schaufelrad und gibt Impulse bei Sensoren (13 und/oder 15) ab, die über einen elektronischen Zähler (8) gezählt werden. Das Ergebnis der Zählung ist proportional der durchgeflossenen Menge von Flüssigkeit oder Gas. Es muß nur mit einer entsprechenden Umrechnungskonstante im Signalverarbeitungsmultiplizierer (9) multipliziert und dem Speicher (10) zugeführt werden. Vom Speicher wird, bei Eingabe eines Abruf-Befehls­ impulses im Eingang (11), das Ergebnis der Speicherung im Ausgang (12) zugeschaltet. Für die Rückstellung des Speichers auf "0" besteht der Eingang "Reset" (25).

Die Impulse für den elektronischen Zähler können entweder von der Welligkeit der Generatorspannung (17) über einen Kondensator (6) und Verstärker (7) mit eingebautem Filter abgeleitet werden, oder es werden Sensoren an drehenden Teilen angebracht.

So z. B. kann an der Turbine (1) ein Sensor (13) angebracht werden oder, falls vorhanden, am mechanischen Zähler (3) (15) oder an anderen drehenden oder beweglichen Teilen. Die Spannung der Sensoren (13 oder 15) wird dann dem elektronischen Zähler (8) zugeleitet werden.

Die Sensoren selbst können entweder von magnetischer Art sein, z. B. indem der Sensor aus einer mehrwindigen Spule besteht und an den Turbinenmagneten (z. B. an den Schaufeln) angebracht wird, oder es können optische Sensoren verwendet werden. In so einem Fall werden Belichtungsquellen benötigt, z. B. eine Miniatur-LED (14 oder 16). Für den Sensor (13) würde ein Lämpchen oder ein LED (14) bzw. für den Sensor (15) ein Lämpchen oder LED (16) notwendig sein.

Es können auch elektromechanische Sensoren verwendet werden (Schalter), die durch die Turbine oder über Nocken an der Welle betrieben werden. Diese Sensoren haben den Vorteil, daß sie starke Signale aufweisen. Sie unterliegen aber einem stärkeren mechanischen Verschleiß.

Die Eingangs- (11) und Ausgangs-(12)Signale des Speichers (10) können beliebig verwendet werden, entweder dadurch, daß sie abgerufen werden oder daß die Sensoren an zugeordneten Empfängern und Sendern (26) mit Antenne (29) über die Zuleitung (27) für den Empfangssignaleingang (11) angeschlossen werden. Das Sendesignal (12) wird zum Eingang des Senders (29) geleitet (siehe Bild 2).

Alternativ kann auch ein akustischer Sender und Empfänger (30) verwendet werden, der das Signal (31) für den Eingang (11) des Speichers aufweist und das Sendesignal (12) vom Speicher über den Sendereingang (32) aufnimmt. Der akustische Senderausgang und Empfängereingang (30) können an einem gemeinsamen Punkt (33) verbunden sein, der analog zur Empfangs- und Sendeantenne (29) zu einem Wandler (34) angeschlossen wird.

Dieser Wandler wandelt die elektrische Energie in entsprechende akustische Energie bzw. Ultraschallenergie um und umgekehrt. Der Wandler kann an einem Schalleiter für die Annahme und Weitergabe der Signale angeschlossen sein. Dieser Schalleiter kann zugleich auch das Rohr (35) sein, dessen fließendes Medium, Flüssigkeit, Gas und z. B. auch Wasser, es mengenmäßig zu messen gilt (siehe Bild 3).

Die energetischen Verhältnisse im Rohr und der Elektronik sollen wie folgt erläutert werden:
Bei beispielsweise einer Fließgeschwindigkeit von 1m/s und einem Leitungsdruck von 1 bar sowie einem Querschnitt von 1 cm² ergeben sich Fließkräfte von 10 N und eine strömungsmechanische Leistung von 10 W.

Bei Umwandlung von 1% dieser Energie, daher 100 mW, in elektrische Energie wird für den Normalverbraucher keine merkbare Änderung des Leitungsdrucks bzw. der Flußmengenänderung bemerkbar. Die elektrische Leistung, die für das Betreiben einer Miniaturleuchte in der Art eines Mikro-LED benötigt wird, beträgt ca. 10 bis 20 mW. Die Stromaufnahme für die Elektronik (8, 9 und 10) liegt bei ca. 2 bis 10 µA bzw. 50 bis 100 µW.

Der Spannungsregler regelt die Spannung so, daß beim Anfang des Drehens der Turbine sofort der Kondensator (22) geladen wird, der ausreichende Spannung und Strom für die Elektronik (8, 9 und 10) liefert, wobei die Spannung für die Beleuchtung von eventuellen optischen Sensoren schon vorher (17) abgegriffen wird. LED-Leuchten reagieren bereits in wenigen µs. Dadurch ist der Zähler in der Lage, fließende Medien bereits nach kurzer Zeit (je nach Auslegung des Spannungsreglers von wenigen ms bis unter 1 s) richtig zu messen und zu speichern.

Die Aufladung des Kondensators (22) kann so ausgelegt werden, daß z. B. bei einem Kondensator von 10 mF und einem Widerstand (18) von z. B. 20 Ohm eine Ladezeit von unter 1 s benötigt wird. So werden die Ausfallzeiten für den Fall, daß sowohl der Kondensator (22) und die Batterie (23) entladen sind, unter 1 s betragen. Wenn eine der beiden geladen ist, wird der elektronische Zähler (8) richtig zählen.

Der nicht-flüchtige Speicher (10) ist dann nach kurzer Zeit abrufbereit, wobei das Betreiben des Empfänger- und Senders, die eine Leistung von 10 mW oder mehr aufweisen, erst dann möglich ist, wenn die aufladbare Batterie (23) geladen ist. Diese wird, bedingt durch ihre Kapazität (in unserem Beispiel ca. 100 mAh und ein Generatorstrom von z. B. 20 mA) erst nach einigen Stunden Betrieb geladen, es sei denn, die Batterie wird vorweg geladen.

Nachdem nicht damit zu rechnen ist, daß die Strömung im Rohr für länger als ein Jahr unterbrochen wird, darf der Entladungsstrom der aufladbaren Batterie (23) nur gering sein. Bei 10.000 Stunden Unterbrechung soll dieser Strom unter 10 µA liegen. In der Praxis kann dieser Strom auf 1 µA reduziert werden.

Die Arbeitshypothese dieses Zählers ist, daß die Betriebszeit mindestens 0,02% bis 0,04% der ablaufenden Zeit ist, da sich ansonsten die aufladbare Batterie (23) entladen kann und nicht mehr für Sendungen zur Verfügung steht. Ohne Anschließung eines Senders (26) oder eines akustischen Senders (30) kann die minimale jährliche Betriebszeit um Größenordnungen reduziert werden.

Claims (10)

1. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßwerte durch elektrische Sensoren festgestellt und weitergegeben werden.
Der Strom für die Sensoren und die Elektronik, bestehend aus einem elektrischen Impulszähler, Signalverarbeiter (Multiplikator) und einem Speicher zur Speicherung des Meßwerts und, falls Bedarf besteht, auch für die Betreibung der angeschlossenen Empfänger und Sender, die einen Ablese- und Signalpuls übermitteln und den Meßwert verzögert weitergeben, wird autonom durch Umwandlung von Strömungsenergie in elektrische Energie, z. B. durch eine Turbine und einen Generator erzeugt.

2. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein elektromechanischer, magnetischer, akustischer oder optischer Sensor für den Anschluß an die Turbine verwendet wird.

3. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an den beweglichen Teilen, z. B. der Turbinenwelle ein mechanischer Zähler angebracht wird.

4. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß an den mechanischen Zähler elektromechanische, magnetische, akustische oder optische Sensoren angebracht werden.

5. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß für die schnelle Reaktion des Spannungs­ reglers nicht nur eine aufladbare Batterie, sondern ein separater, schnell aufladbarer Kondensator verwendet wird.

6. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine Lichtquelle für einen optischen Sensor verwendet wird, die von den Turbinen oder dem Kondensator des Spannungsreglers versorgt wird

7. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Empfänger oder Sender oder beide die Signale über akustische Wellen, durch das Anbringen von einem oder mehreren Schall- bzw. Ultraschallwandlern, empfangen bzw. senden.

8. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß ein Empfänger und Sender für die Eingabe des Ableseimpulsbefehls und die Aussendung des Zählwertes aus dem Speicher verwendet werden, dessen Versorgungsspannung entweder extern oder/und intern vom Ausgang (24) des Spannungs­ reglers (4) entnommen wird und eine gemeinsame Antenne oder eine getrennte Antenne (bzw. ein Wandler) verwendet werden.

9. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die gezählte Menge nicht durch äußerliche Signale aus dem Speicher abgerufen und gesandt wird, sondern, daß bei Erreichung einer bestimmten Menge (z. B. 1000 m³) eine Sendung erfolgt oder daß eine interne Uhr, die über den Empfänger als Uhr oder Funkuhr betrieben werden kann, den Zählerstand periodisch abgibt.

10. Fluidströmungsmesser für Gase oder Flüssigkeiten, z. B. Wasser, nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Eingangs-Ablesebefehlssignalleitung und eine verzögerte Zählerstand-Ausgangssignalleitung des Speichers beide auf einer gemeinsamen, externen Leitung verbunden sind.