DE202020005983U1

DE202020005983U1 - Ultraschall-Durchflussmessung

Info

Publication number: DE202020005983U1
Application number: DE202020005983.8U
Authority: DE
Original assignee: Dune Labs Inc
Current assignee: Dune Labs Inc
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2030-04-10
Also published as: EP3953666A4; WO2020210475A1; EP3953666A1; US20200326216A1; US20230324209A1; US11624639B2

Abstract

Ultraschall-Durchflussmesser, umfassend:
eine Trägerbaugruppe, die dazu eingerichtet ist, außen an einem Rohr angebracht zu werden, um den Durchfluss in einer Durchflussrichtung zu messen;
einen ersten Ultraschallwandler, der in einem schrägen Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; und
einen zweiten Ultraschallwandler, der in einem schrägen Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist;
einen dritten Ultraschallwandler, der im rechten Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist;
einen Speicher, der dazu eingerichtet ist, Sensordaten und eine oder mehrere Anwendungen zu speichern;
mindestens einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, mit dem ersten, zweiten und dritten Ultraschallwandler zu kommunizieren und zu Folgendem in der Lage ist:
Veranlassen des dritten Ultraschallwandlers, einen Ultraschallimpuls zu senden;
Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer ersten Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die erste Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls: i) sich durch eine nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat, ii) sich durch ein Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat, iii) von einer Grenzfläche zwischen dem Medium und einer fernseitigen Wand reflektiert wurde, iv) sich zurück durch das Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat; und v) sich zurück durch die nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat;
Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer weiteren Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die weitere Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls mindestens ein zweites Mal von der Grenzfläche zwischen dem Medium und der fernseitigen Wand reflektiert wurde;
Ermitteln einer Rohrquerschnittsfläche auf Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der ersten Reflexion und dem Empfang der weiteren Reflexion durch den dritten Ultraschallwandler;
Berechnen einer Durchflussrate für das Medium auf Grundlage von Laufzeitmessungen zwischen dem ersten und zweiten Ultraschallwandler und der ermittelten Rohrquerschnittsfläche.

Description

FELD
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung von Wasserdurchflussmengen. Insbesondere bezieht sich diese Beschreibung auf Wasserdurchflussmesser auf Ultraschallbasis.
HINTERGRUND
In vielen Regionen der Welt wird Wasser für den menschlichen Gebrauch zu einer knappen Ressource, da die Bevölkerung nicht mehr über die leicht verfügbaren Wasserquellen verfügt. Dennoch wird ein großer Teil des Wassers nach der Aufbereitung für den menschlichen Verbrauch aufgrund ineffizienter oder suboptimaler Verbrauchsmuster verschwendet.
Zur Förderung des sparsamen Umgangs mit Wasser, insbesondere in Zeiten der Dürre, haben einige Städte, Versorgungsunternehmen und andere Behörden Programme zum sparsamen Umgang mit Wasser sowohl für private als auch für gewerbliche Verbraucher eingeführt, die Anreize, Aufklärungsmaßnahmen sowie finanzielle Sanktionen bei erhöhtem Verbrauch vorsehen. Diese Wasserverbraucher haben jedoch oft nur begrenzten Zugang zu Daten und Einblicken in ihr tatsächliches Wasserverbrauchsverhalten. Darüber hinaus sind die zur Verfügung gestellten Daten in der Regel nicht detailliert genug, um den Verbrauchern zu zeigen, wie sie ihren Wasserverbrauch am besten steuern können, was das Problem noch verschärft. In der Realität erfolgt der Zugang zu den von den Versorgungsunternehmen zur Verfügung gestellten Daten oft nicht rechtzeitig, da sie in der Regel im Rahmen des Abrechnungszyklus bereitgestellt werden und sich um Wochen gegenüber den tatsächlichen Verbrauchsdaten verzögern.
Anders sieht es bei gewerblichen und geschäftlichen Verbrauchern aus, z. B. in Mehrfamilienhäusern, gemischt genutzten Gewerbe-/Wohnimmobilien, Hotels und Büroparks, wo das Wasserversorgungsunternehmen in der Regel einen Hauptzähler für das gesamte Gelände zur Verfügung stellt und keine Unterzähler auf der Ebene der einzelnen Einheiten. In solchen Fällen haben die Wasserverbraucher keinen Einblick in ihren tatsächlichen Wasserverbrauch und wenig Anreiz, den Verbrauch zu senken, da sie nicht die kurzfristigen direkten Kosten ihres eigenen Wasserverbrauchs tragen. Zwar könnte die Unterzählerablesung durch die Versorgungsunternehmen in bestimmten Fällen diese perverse Verbrauchsdynamik, die an Standorten mit Hauptzähler besteht, lösen, doch ist sie in der Regel recht störend und erfordert umfangreiche Neuinstallationen, die für die Grundstückseigentümer oft unerschwinglich sind.
In der Wasser- und Unterhaltungselektronikbranche gibt es Bemühungen und Innovationen, um einige der oben genannten Herausforderungen zu bewältigen. Insbesondere gibt es auf dem kommerziellen Markt innovative Lösungen für die Erkennung von Wasserlecks in Haushalten und in bestimmten Fällen sogar für die Messung der Wasserdurchflussmenge in Haushalten, die über eine Smartphone-Anwendung nahezu in Echtzeit angezeigt werden kann. Keine dieser Lösungen hat sich jedoch bei den Verbrauchern durchgesetzt, da die technischen und praktischen Einschränkungen ihre Einsatzmöglichkeiten stark einschränken. Zu den Einschränkungen der bekannten Lösungen gehören eine oder mehrere der folgenden: (1) Unfähigkeit, Daten über den Wasserverbrauch im Außenbereich für Landschaftsgestaltung und Pools zu erfassen; (2) Unfähigkeit, Wasserlecks im Außenbereich, wie z. B. defekte Sprinklerköpfe, zu erkennen; (3) Abhängigkeit von aufdringlichen und teuren professionellen „Inline“-Installationen; (4) Abhängigkeit vom Zugang zum lokalen drahtlosen Netzwerk des Hauses/der Anlage, das oft nicht robust genug ist, um eine dauerhafte und kontinuierliche Verbindung für die Lebensdauer des Produkts aufrechtzuerhalten, die mehr als 10 Jahre betragen kann; (5) Abhängigkeit von der Nähe einer Steckdose, um das Produkt zu betreiben; (6) Notwendigkeit, mehrere Produkte an jedem Wasserverbrauch oder potenziellen Leckstellen/Hahn in einem Haus/Gelände zu installieren; (7) Notwendigkeit, mehrere Wasserzähler für eine Wohnung zu installieren, wenn die Wasserleitungen gemeinsam genutzt werden, z. B. von einem gemeinsam genutzten Warmwasserbereiter; und (8) Notwendigkeit, die Leitungen neu zu verlegen, um Unterzähler zu installieren, wenn die Wasserleitungen, die eine Wohnung versorgen, nicht dediziert sind und in andere Wohnungen weiterführen, so dass ein Zählerstand den Wasserverbrauch in mehreren Wohneinheiten anzeigen kann.
Staaten und Gemeinden ergreifen auch einige gesetzgeberische Maßnahmen, um die Einsparungsbemühungen voranzutreiben, wie z. B. die Senate Bill No. 7 (SB 7) in Kalifornien, wo nun vorgeschrieben ist, dass neue Mehrfamilienhäuser mit Unterzählern ausgestattet sein müssen, was dazu führt, dass mindestens ein Wasserzähler pro Wohnung installiert wird und möglicherweise mehr als einer, wenn das Warmwasser von einem gemeinsam genutzten Warmwasserbereiter stammt oder wenn die Wasserleitungen, die eine Wohnung versorgen, für weitere Wohnungen genutzt werden.
Wasserzähler müssen in der Regel den Anforderungen auf nationaler und/oder staatlicher Ebene entsprechen, wie z. B. den Anforderungen in: 1) „NIST Handbook 44 2019“ des National Institute of Standards and Technology, das von der National Conference on Weights and Measures (NCWM) verabschiedet wurde, 2) „NCWM Publication 14, Liquid Measuring Devices 2019“ und deren National Type Evaluation Program (NTEP), und 3) das California Department of Food and Agriculture (CDFA) „Weights and Measures Field Reference Manual (2019)“, das Auszüge aus dem California Code of Regulations Title 4 Division 9 enthält. Die behördlichen Anforderungen umfassen unter anderem die Messgenauigkeit des Wasserverbrauchs, die Wiederholbarkeit der Messungen, die Möglichkeit, die Messergebnisse zu überprüfen, und die Anforderungen an die Manipulationssicherheit der Zähler. Wasserzähler für Haushalte, die den behördlichen Anforderungen entsprechen, sind im Handel erhältlich. Einige Zähler sind auch für Unterzähleranwendungen zertifiziert, wie aus der Zulassungsdatenbank des California Type Evaluation Program der CDFA hervorgeht. Unabhängig von der zugrundeliegenden Technologie sind die meisten oder alle bekannten Wasserzähler, die die gesetzlichen Anforderungen erfüllen, Inline-Zähler. Inline-Wasserzähler erfordern, dass die Wasserleitung aufgeschnitten und der Zähler in die Wasserleitung eingebaut wird, so dass das Wasser durch ein Rohrstück fließt, das am Wasserzähler befestigt und ein integraler Bestandteil davon ist. Der Vorteil eines Inline-Wasserzählers besteht darin, dass der Hersteller des Zählers alle kritischen Abmessungen, die für eine genaue Messung des durch ein Rohr fließenden Flüssigkeitsvolumens erforderlich sind, in angemessener Weise kontrollieren kann. Ein erheblicher Nachteil von Leitungswasserzählern sind die Kosten und der Aufwand, die mit ihrem Einsatz in bestehenden Mehrfamilienhäusern mit Hauptzähler verbunden sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Ultraschall-Durchflussmesser beschrieben, der so konfiguriert ist, dass er außen an einem Rohr angebracht werden kann, durch das ein Medium (z. B. Wasser) fließt. Der Zähler umfasst einen ersten und einen zweiten Ultraschallwandler. Wenn der Zähler außen am Rohr angebracht ist, sind der erste und der zweite Wandler so konfiguriert, dass sie abwechselnd akustische Ultraschallwellen übertragen oder erfassen, die sich hauptsächlich in schrägen Winkeln relativ zur Strömungsrichtung des Mediums durch das Rohr ausbreiten. Das Messgerät umfasst auch einen dritten Ultraschallwandler, der so konfiguriert ist, dass er akustische Ultraschallwellen überträgt oder erfasst, die sich hauptsächlich in einem rechten Winkel relativ zur Strömungsrichtung des Mediums durch das Rohr ausbreiten. Das Messgerät umfasst auch ein Verarbeitungssystem, das so konfiguriert ist, dass es eine Durchflussrate für das durch das Rohr fließende Medium auf der Grundlage von Laufzeitmessungen berechnet, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler vorgenommen werden. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Berechnung der Durchflussrate weniger oder gar nicht von der Temperatur des Mediums abhängig, zumindest teilweise auf der Grundlage der Laufzeitmessungen des dritten Wandlers.
In einigen Ausführungsformen beruht die Verringerung oder Beseitigung der Temperaturabhängigkeit zumindest teilweise auf einer Bestimmung des inneren (oder äußeren) Durchmessers des Rohrs auf der Grundlage der vom dritten Wandler durchgeführten Laufzeitmessungen. In einigen Ausführungsformen werden die vom dritten Wandler durchgeführten Laufzeitmessungen durchgeführt, wenn das Medium vorhanden ist, aber nicht durch das Rohr fließt. In einigen Ausführungsformen werden die vom dritten Wandler durchgeführten Laufzeitmessungen zur Berechnung der Querschnittsfläche des Rohrs verwendet, die wiederum für die Berechnung der Durchflussmenge herangezogen wird.
In einigen Ausführungsformen sind der erste, zweite und dritte Ultraschallwandler piezoelektrische Sender-Empfänger.
In einigen Ausführungsformen ist das Verarbeitungssystem außerdem so konfiguriert, dass es Selbstkalibrierungsverfahren durchführt, wie z. B. die Kompensation von Abweichungen bei der Laufzeitmessung von Ultraschallwellen, die sich in stromaufwärts und stromabwärts gerichteter Richtung ausbreiten, wenn das Medium im Rohr nicht fließt.
In einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Temperatursensoren so konfiguriert, dass sie mit der Wasserleitung gekoppelt sind, und die reduzierte oder eliminierte Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums basiert teilweise auf bekannten Laufzeitschwankungen aufgrund von Temperaturschwankungen.
In einigen Ausführungsformen ist das Verarbeitungssystem außerdem so konfiguriert, dass es das Vorhandensein oder Fehlen von akustischen Ultraschallwellen erkennt, die sich entlang einer Außenfläche des Rohrs ausbreiten. Die Erfassung von Oberflächenwellen kann dazu verwendet werden, zu erkennen, wenn der Zähler nicht auf einem Rohr montiert ist, was zur Erkennung von Manipulationen und/oder zur Energieeinsparung genutzt werden kann. Die Erfassung der Oberflächenwellen kann auch im Rahmen der Selbstkalibrierung verwendet werden, um Kalibrierungsfaktoren zu erzeugen, die bei der Berechnung der Entfernung, die eine akustische Ultraschallwelle im Wassermedium zurücklegt, verwendet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Fernanzeigegerät so konfiguriert werden, dass es Informationen vom Durchflussmesser anzeigt. In einigen Ausführungsformen ist das Fernanzeigegerät Teil eines mobilen Mehrzweck-Computers, z. B. eines Smartphones oder Tablets.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist eine Trägerbaugruppe vorgesehen, auf der der erste, zweite und dritte Ultraschallwandler montiert sind. Der Träger ist so konfiguriert, dass er außen auf dem Rohr montiert (z. B. festgeklemmt) wird, so dass sich der erste, zweite und dritte Ultraschallwandler in einer festen Position in Bezug auf die Außenfläche des Rohrs befinden und Ultraschallwellen an die und von der Außenfläche des Rohrs senden und empfangen können, und er eignet sich für eine Reihe von Rohrgrößen, Wandstärken und verschiedenen Materialien.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Messung eines Mediums, das durch ein Rohr fließt, beschrieben. Das Verfahren umfasst: Messung der Laufzeit von Ultraschallimpulsen, die sich zwischen einem ersten und einem zweiten Ultraschallwandler ausbreiten, die außen an dem Rohr angebracht sind. Die Ultraschallimpulse breiten sich ein erstes Mal durch eine Wand des Rohres, durch das in dem Rohr strömende Medium in einem schrägen Winkel in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Mediums durch das Rohr und ein zweites Mal durch die Wand des Rohres aus. Das Verfahren umfasst auch die Messung der Laufzeit von Ultraschallimpulsen von einem dritten Ultraschallwandler. Die Ultraschallimpulse des dritten Wandlers breiten sich im Wesentlichen in einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Mediums durch das Rohr aus. Das Verfahren umfasst auch die Berechnung der Durchflussrate und/oder des Volumens des durch das Rohr fließenden Mediums auf der Grundlage der zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschallwandler durchgeführten Laufzeitmessungen. Die Berechnung der Durchflussmenge ist weniger oder gar nicht von der Temperatur des Mediums abhängig und basiert zumindest teilweise auf den Laufzeitmessungen des dritten Wandlers.
In einigen Ausführungsformen wird ein einfach zu installierender externer, nicht-intrusiver Wasserdurchflussmesser beschrieben. Der Durchflussmesser kann einen Grad an Genauigkeit und Wiederholbarkeit sowie Prüfbarkeit und Manipulationssicherheit aufweisen, der den gesetzlichen Anforderungen entspricht und von Regulierungsbehörden und -stellen für die Verwendung als Wasserunterzähler zertifiziert werden kann.
Die hier verwendeten Begriffe „Durchflussmesser“ und „Durchflussmessgeräte“ schließen Messgeräte ein, die zur Messung des Verbrauchs und/oder des Volumens eines durch eine Leitung fließenden Mediums konfiguriert sind, wie z. B. ein Wasserzähler.
Die hier verwendeten grammatikalischen Konjunktionen „und“, „oder“ und „und/oder“ sollen anzeigen, dass einer oder mehrere der Fälle, Objekte oder Subjekte, die sie verbinden, vorkommen oder vorhanden sein können. Auf diese Weise zeigt der Begriff „oder“ in allen Fällen eine „einschließende oder“ Bedeutung an und nicht eine „ausschließende oder“ Bedeutung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zur weiteren Verdeutlichung der obigen und anderer Vorteile und Merkmale des Gegenstandes dieser Patentschrift sind in den beigefügten Zeichnungen spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt. Es ist zu beachten, dass die in einer Abbildung dargestellten Elemente oder Komponenten anstelle von vergleichbaren oder ähnlichen Elementen oder Komponenten verwendet werden können, die in einer anderen Abbildung dargestellt sind, und dass diese Zeichnungen nur illustrative Ausführungsformen darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs dieser Patentschrift oder der beigefügten Ansprüche anzusehen sind. Die Lehre dieser Patentschrift wird anhand der beigefügten Zeichnungen mit zusätzlicher Spezifität und Detailgenauigkeit beschrieben und erläutert, in denen:

Die 1A-1D sind Diagramme, die verschiedene Konfigurationen der Inline-Platzierung von Wandlerpaaren für Intrusions-Ultraschall-Durchflussmesser zeigen;
2 ist ein konzeptionelles Diagramm, das Systeme und Verfahren zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs in Wohnhäusern, Mehrfamilienhäusern und/oder gewerblichen Gebäuden und/oder Einrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen zeigt;
3 ist ein konzeptionelles Blockdiagramm, das weitere Einzelheiten eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses gemäß einigen Ausführungsformen zeigt;
Die 4A-4C sind Diagramme, die eine dreipiezoelektrische Wandleranordnung zur Verwendung in einem angeschlossenen externen Durchflussmesser zur Messung des Wasserdurchflusses gemäß einigen Ausführungsformen zeigen;
5 ist ein schematisches Diagramm, das Aspekte einer extern montierten Wandlerbaugruppe veranschaulicht, die Teil eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein angeschlossenes Messsystem zeigt, das einen angeschlossenen externen Durchflussmesser umfasst, der mit netzwerkverbundenen Mikrofonen zusammenarbeitet, gemäß einigen Ausführungsformen;
7 ist ein schematisches Diagramm, das Oberflächenwellen zeigt, die von einer extern montierten Wandleranordnung gemessen werden, die Teil eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
8 ist eine Illustration einer virtuellen Statusanzeige eines angeschlossenen Messsystems, gemäß einigen Ausführungsformen;
9 ist ein Blockdiagramm eines Serversystems, das mit einem angeschlossenen Messsystem zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs kommuniziert und einen Teil davon bildet, gemäß einigen Ausführungsformen;
10 ist eine Seitenansicht, die ein Ultraschallwandlermodul zeigt, das für die Selbstkalibrierung und die Selbstbestimmung des Innendurchmessers des Rohrs konfiguriert ist, gemäß einigen Ausführungsformen;
Die 11 und 12 sind Blockdiagramme, die Aspekte der Bestimmung des Rohrinnendurchmessers gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulichen; und
13 ist ein Blockdiagramm, das weitere Aspekte eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine detaillierte Beschreibung von Beispielen bevorzugter Ausführungsformen wird im Folgenden gegeben. Obwohl mehrere Ausführungsformen beschrieben werden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass der in dieser Patentschrift beschriebene neue Gegenstand nicht auf eine bestimmte Ausführungsform oder Kombination von Ausführungsformen beschränkt ist, sondern stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfasst. Darüber hinaus werden in der folgenden Beschreibung zwar zahlreiche spezifische Details aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis zu ermöglichen, doch können einige Ausführungsformen auch ohne einige oder alle dieser Details ausgeführt werden. Aus Gründen der Klarheit wurde außerdem auf eine detaillierte Beschreibung bestimmter technischer Details verzichtet, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, um den hier beschriebenen neuen Gegenstand nicht unnötig zu verschleiern. Es sollte klar sein, dass einzelne Merkmale einer oder mehrerer der hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen anderer beschriebener Ausführungsformen oder mit anderen Merkmalen verwendet werden können. Ferner weisen gleiche Bezugsnummern und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen auf gleiche Elemente hin.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein externer, nicht-intrusiver Ultraschall-Wasserdurchflussmesser beschrieben, der so konfiguriert ist, dass er konsistent Durchflussraten für die private und gewerbliche Wasserzählung und Unterzählung misst. In einigen Ausführungsformen ist der beschriebene Durchflussmesser ein nicht-intrusiver Zähler zum Anklemmen. Das Messsystem kann mit relativ hoher Genauigkeit arbeiten, während es die Herausforderungen überwindet, die mit aufklemmbaren, nicht-intrusiven Zählern verbunden sind, einschließlich einer oder mehrerer der folgenden Punkte: (i) Schätzung oder Bestimmung des Innendurchmessers des Rohrs; (ii) Berücksichtigung der Temperatur des durch das Rohr fließenden Wassers; (iii) Berücksichtigung der Signaldämpfung, wenn Signale möglicherweise durch mehrere Materialien mit unterschiedlichen Schallübertragungseigenschaften hindurchgehen (z. B. (iii) Berücksichtigung der Signaldämpfung, wenn Signale möglicherweise mehrere Materialien mit unterschiedlichen Schallübertragungseigenschaften durchqueren (z.B. durch Schaffung eines Designs mit einem Verbindungsbudget für die Übertragung und den Empfang von Signalen, die von der Außenseite eines Rohrs durch das Wasser und dann aus dem Rohr austreten, das eine ausreichende Leistungseffizienz aufweist, um einen robusten mehrjährigen Betrieb mit einer Batterie zu ermöglichen, ohne dass ein Aufladen erforderlich ist); (iv) Berücksichtigung von Mehrfachsignalreflexionen, die auftreten, wenn Signale von der Außenseite des Rohrs austreten und die Grenzfläche verschiedener ungleicher Materialien, wie z. B. Kupferrohr und Wasser, erreichen; und (v) Berücksichtigung eines Bereichs möglicher Rohrdurchmessergrößen, Dickenmaße und Rohrmaterialien. In einigen Ausführungsformen wird ein Ultraschallwasserzähler verwendet, der nach dem Prinzip der Messung der Laufzeit von Ultraschallwellen durch das Wassermedium in einem Rohr arbeitet und Änderungen der Laufzeit oder der Phase der Ultraschallwellen erkennt, wenn sich die Wasserdurchflussmenge im Rohr ändert. Die Theorie und die Funktionsprinzipien der Ultraschall-Wasserdurchflussmessung sind bekannt. Siehe zum Beispiel: „Ultrasonic Sensing Technology for Flow Metering“ von Srinvas Lingam, Using Ultrasonic Technology for Flow Measurement, September 2017. Die 1A-1 D sind Diagramme, die verschiedene Konfigurationen der Inline-Platzierung von Sender-Empfänger-Paaren für bekannte Intrusions-Ultraschall-Durchflussmesser veranschaulichen, wie in dem vorstehenden Artikel erörtert.
2 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein angeschlossenes Messsystem zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs in Wohnhäusern, Mehrfamilienhäusern und/oder gewerblichen Gebäuden und/oder Einrichtungen gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. Das angeschlossene Messsystem 202 umfasst einen angeschlossenen externen Durchflussmesser 220, der das durch die Wasserleitung 200 fließende Wasser misst. Der/die externe(n) Durchflussmesser kann/können mit Produkten und Computerprogrammen verwendet werden, um einfache und kosteneffektive Lösungen für die Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs eines gesamten Hauses (innen und außen) sowie eines Mehrfamilienhauses und/oder einer gewerblichen Einrichtung (gesamtes Gelände und Untereinheiten wie jede Wohnung, jedes Büro oder jedes Zimmer) bereitzustellen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das angeschlossene Messsystem 202 Folgendes umfassen: einen angeschlossenen externen Durchflussmesser 220, eine Benutzerschnittstelle 230 und einen Backend- oder Remote-Server 240, die alle über ein Netzwerk 210 miteinander verbunden sind.
Andere Konfigurationen sind möglich, einschließlich unterschiedlicher Kombinationen der in den Abbildungen dargestellten Merkmale und Elemente. Das in einer bestimmten Figur beschriebene System kann in Systemen verwendet werden, die auch in anderen spezifischen Figuren beschrieben sind. So könnte beispielsweise der in 3 gezeigte angeschlossene externe Durchflussmesser 220 in dem angeschlossenen Messsystem 202 von 2 verwendet werden.
3 ist ein konzeptionelles Blockdiagramm, das weitere Details eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 wird im Zielhaus, in der Wohnung oder am Standort installiert. Einigen Ausführungsformen zufolge ist der Zähler 220 so konfiguriert, dass er: (i) von einer Person mit gesundem Körperbau und ohne Sanitärkenntnisse leicht installiert werden kann; (ii) autark ist, ohne dass (a) eine externe Stromquelle oder (b) eine lokale Netzwerkverbindung für den Datentransport erforderlich ist; und (iii) in der Lage ist, Daten genau zu messen/zu erfassen, die ausreichen, um den Wasserdurchfluss und die Verbrauchswerte in der Wasserleitung, an der er installiert ist, zu berechnen. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 kann Folgendes umfassen: Sensorvorrichtungen 320; Prozessor(en); einen drahtlosen Transceiver; eine digitale Zähleranzeige; eine QR-Code-basierte Anzeige; eine Augmented-Reality-Zähleranzeige und einen Speicher 310. Im Speicher 310 können Sensordaten sowie verschiedene Anwendungen gespeichert werden, wie z. B.: Anwendungen zur Erkennung von Durchflussereignissen, Anwendungen zur Datenkomprimierung, Anwendungen zur Leckbestimmung, Anwendungen zur Kalibrierung und Anwendungen zur Nutzungsklassifizierung. In einigen Ausführungsformen kann eine Teilmenge der im Beispiel von 3 gezeigten Komponenten im Durchflussmesser 220 enthalten sein. In einigen Ausführungsformen können die Sensorvorrichtungen 320 die Ultraschallwandler 322 enthalten und die Temperatursensoren 324 weglassen. Die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 könnte einen Prozessor 332, einen drahtlosen Sender-Empfänger 334 und einen Speicher 310 enthalten, jedoch ohne Batterie 336, digitale Zähleranzeige 338 und Augmented-Reality-Zähleranzeige 339. Der Speicher 310 könnte Sensordaten 311 und eine Kalibrierungsanwendung 315 enthalten, aber keine Anwendung zur Erkennung von Durchflussereignissen 312, keine Datenkomprimierungsanwendung 313, keine Anwendung zur Bestimmung von Lecks 314 und keine Anwendung zur Nutzungsklassifizierung 316. Gemäß einigen anderen Ausführungsformen könnte der Durchflussmesser 220 zusätzlich den/die Temperatursensor(en) 324, die Baugruppe 330 zusätzlich die Batterie 336 und der Speicher 310 zusätzlich die Anwendung zur Erkennung von Durchflussereignissen 312 und die Anwendung zur Bestimmung von Lecks 314 enthalten.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert werden, dass er extern an der Wasserleitung an verschiedenen Stellen angebracht werden kann, z. B. in der Nähe des Wasserzählers auf der Haus-/Bauseite oder an einer anderen Stelle stromaufwärts von Leitungen, die für den Außen- bzw. Innengebrauch unterteilt sind, wenn der Wasserverbrauch im Freien überwacht werden soll, oder an Leitungen, die in jede Wohnung führen. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 hat eine kompakte Größe, so dass für die Installation nur eine relativ geringe Länge der freiliegenden Wasserleitung erforderlich ist. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 kann auch so konfiguriert werden, dass er an Wasserleitungen installiert wird, die in die Leitungen für die Nutzung durch jede Wohnung oder jedes Büro unterteilt wurden, einschließlich der Installation innerhalb von Trockenmauern oder in Außenbereichen, die der Witterung ausgesetzt sind, oder in unterirdischen Gehäusen, und in einigen Fällen können separate Zähler 220 installiert werden, z. B. wenn mehrere Leitungen (z. B. getrennte Warm- und Kaltwasserleitungen) in jede Wohnung führen, oder andere Konfigurationen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 zwei oder mehr Ultraschallwandler 322, die jeweils extern fest mit der Wasserleitung gekoppelt sind und von einer Qualität und einem Typ sind, die sich für Wasserdosierungsanwendungen eignen. Gemäß einigen Ausführungsformen hat jeder Ultraschallwandler die Form einer Scheibe mit einem Durchmesser zwischen 5 mm und 20 mm. Jeder Ultraschallwandler kann so konfiguriert werden, dass er eine Sequenz von genau getakteten und choreografierten gerichteten Ultraschallimpulsen durch das Wasser in der Wasserleitung erzeugt und empfängt und eine Delta-Time-of-Flight-Methode oder eine andere geeignete Technik zur Ultraschall-Wasserdurchflussmessung verwendet.
In einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er von einer Person installiert werden kann, die über keinerlei Sanitärkenntnisse verfügt, z. B. von einem Hausbesitzer oder Hausverwalter oder einem Handwerker, und die Installation ist insofern nicht störend, als sie keine Neuverlegung von Rohren, kein Schneiden von Rohren und keine Positionierung „in-line“ mit der Wasserleitung erfordert.
In einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er Daten erfasst, die für das System ausreichen, um den Durchmesser automatisch selbst zu bestimmen. Insbesondere kann das System einen genauen Wert für den Innendurchmesser des Rohrs, an dem es installiert ist, selbst bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann dies durch Messungen der Laufzeit von Ultraschallimpulsen eines dritten Wandlers erreicht werden, die zu ihm selbst zurückreflektiert werden (siehe z. B. den in den , und dargestellten Wandler 414). Dieser dritte Wandler ist fest nach außen gekoppelt und orthogonal zum Rohr ausgerichtet. Die verschiedenen Reflexionen, die von dem dritten, orthogonal ausgerichteten Wandler gemessen werden, umfassen: (1) Wandler zu und von der rohrwandnahen Schnittstelle und (2) zu und von der rohrwandfernen Schnittstelle. Die Differenz zwischen den beiden Lichtlaufzeitmessungen ist proportional zum Rohrinnendurchmesser. In einigen Ausführungsformen kann die Ableitung des Rohrinnendurchmessers verbessert werden, indem die Messungen durchgeführt werden, wenn über einen bestimmten Mindestzeitraum keine Wasserströmung auftritt. In einigen Ausführungsformen sind die Ultraschallwandler extern an ein Wasserrohr gekoppelt und erzeugen, senden und empfangen gerichtete Ultraschallimpulse durch das Wasser im Rohr mit einer Frequenz zwischen 0,25 MHz und 10 MHz. Bei einigen Ausführungsformen kann der Frequenzbereich zwischen 0,5 MHz und 5 MHz liegen. In einigen Ausführungsformen kann der Frequenzbereich zwischen etwa 1 MHz und etwa 2 MHz liegen. In einigen Ausführungsformen ist das zu messende Medium nicht Wasser, sondern eine andere Flüssigkeit oder ein Gas, das durch das Rohr fließt. Der akustische Frequenzbereich sollte auf das zu messende Medium abgestimmt sein. So kann beispielsweise ein Frequenzbereich von 160 KHz bis 600 KHz verwendet werden, wenn der Durchflussmesser 220 für die Messung bestimmter Gasarten konfiguriert ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst der Durchflussmesser 220 auch einen oder mehrere Temperatursensoren 324, die so konfiguriert sind, dass sie die Wasserrohrtemperatur und/oder die Umgebungstemperatur in der unmittelbaren Umgebung des Wasserrohrs messen und erfassen. Die Daten können laufend, periodisch oder bei jedem Wasserdurchflussereignis an Temperaturkompensationsschaltungen und -algorithmen, beispielsweise in einer elektronischen Schaltungsbaugruppe 330, geliefert werden. Die Daten können für die Einstellung der Temperaturkompensationskalibrierung verwendet werden und/oder um festzustellen, ob der Durchflussmesser 220 an eine Kaltwasserleitung oder eine Warmwasserleitung angeschlossen ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 eine elektronische Schaltungsbaugruppe 330 mit Komponenten wie Treibern, Datenlogger(n), Prozessor(en), Stromversorgungsschaltungen, E/As und anderen Schaltungen sowie Firmware-Code und Algorithmen. Die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 kann so konfiguriert sein, dass sie (i) die Sensoren und/oder Wandler ansteuert, (ii) Daten von den Sensoren sammelt, (iii) Daten von den Sensoren verarbeitet, um Wasserdurchflussraten zu berechnen, (iv) Daten speichert, (v) Entscheidungen trifft, um Wassernutzungsmuster zu identifizieren, die das Senden von Warnungen veranlassen können, und/oder (vi) den Transport der Daten und/oder Berechnungsergebnisse sowie potenzielle Benachrichtigungen über den drahtlosen Sendeempfänger verwaltet. In einigen Ausführungsformen umfasst die elektronische Schaltung eine Batterie mit einem für den Außeneinsatz geeigneten Gehäuse und eine Antennenbaugruppe/ein Antennennetz. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die elektronische Schaltungsanordnung 330 mit einem lokalen drahtlosen Netzwerk gekoppelt werden, insbesondere mit solchen, die einen geringen Stromverbrauch haben, wie z. B. Bluetooth Low Energy (BLE). Gemäß einigen Ausführungsformen, wie in 13 gezeigt, enthält die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 eine oder mehrere rauscharme Verstärkerstufen (LNA) und Filter, um die Leistung beim Sammeln von Daten von den Sensoren zu verbessern und dadurch die für eine erfolgreiche Verbindung verwendete Signalübertragungsleistung zu reduzieren. Der LNA ist so ausgelegt, dass er gewünschte Signale im ausgewählten Frequenzbereich von 1-2 MHz durchlässt und verstärkt und Signale außerhalb des ausgewählten Frequenzbereichs herausfiltert.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der drahtlose Transceiver so konfiguriert, dass er die Daten und andere Informationen von der elektronischen Schaltungsbaugruppe 330 zu einem Computerserver 240 transportiert. In einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Transceiver Weitverkehrsnetze (WAN) 210 wie z. B. zellulare LTE Cat M1 oder NB-IoT-Netze oder andere Low Power WAN (LPWAN) wie Sigfox oder LoRa nutzen und kann einen Fallback zu einem 2G-Mobilfunknetz haben. In einigen Ausführungsformen kann die Art des drahtlosen Transportnetzes 210 so gewählt werden, dass der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 mehrere Jahre lang batteriebetrieben werden kann, ohne dass er wieder aufgeladen werden muss.
In einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er mehrere Jahre lang zuverlässig arbeitet, auch bei typischen Außentemperaturen oder in Innenwänden. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er ohne Wechsel oder Aufladen der Batterie 336 mindestens 3 Jahre lang zuverlässig funktioniert. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er ohne Wechsel oder Aufladen der Batterie 336 mindestens 5 Jahre lang zuverlässig funktioniert. In einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert, dass er ohne Wechsel oder Aufladen der Batterie 336 mindestens 7 Jahre lang zuverlässig funktioniert. In einigen Ausführungsformen ist der Betrieb unabhängig von den Ressourcen vor Ort, wie z. B. Strom und Netzzugang.
In einigen Fällen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 für die Installation in relativ engen Räumen mit eingeschränktem physischem Zugang zur Wasserleitung ausgelegt. In einigen Fällen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 für die Installation innerhalb von Wänden konfiguriert. Diese Möglichkeiten erhöhen die Flexibilität der Installation erheblich und ermöglichen eine breite Palette von Anwendungsfällen. In einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 in zwei Teile unterteilt. Der erste Teil besteht aus einer Reihe von Ultraschallwandlern 322, die in eine kleine Anschlussbaugruppe 320 eingebettet sind, die für die Verwendung mit verschiedenen Rohrgrößen geeignet ist. Die Verbindungsbaugruppe 320 ist so konfiguriert, dass sie an ein Wasserrohr mit verschiedenen Durchmessern angeklemmt oder auf andere Weise daran befestigt werden kann. Zum Beispiel kann der Durchmesserbereich 0,5" bis 1,5" (1,3 cm bis 3,8 cm) betragen. Die Wandler 322 in der Verbindungsbaugruppe 320 liegen nebeneinander auf derselben Seite des Wasserrohrs und sind durch einen kleinen festen Abstand voneinander getrennt (z. B. im Bereich von 0,5" bis 2" (1,3 cm bis 5,1 cm) Abstand). In einigen anderen Ausführungsformen sind die Wandler 322 auf gegenüberliegenden Seiten des Wasserrohrs angeordnet, in einem Winkel von weniger als 90 Grad zueinander ausgerichtet und um einen Abstand versetzt, der in einigen Ausführungsformen nicht mehr als 1 Zoll beträgt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Anschlussbaugruppe 320 auch einen oder mehrere Temperatursensoren 324 enthalten. Der zweite Teil des Durchflussmessers 220 ist die elektronische Schaltungsbaugruppe 330. Die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 kann einen Batteriesatz und ein internes oder externes Antennennetz umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Batteriesatz eine Lithium-Thionyl-Batterie und einen Superkondensator, um eine hohe Impulsstromaufnahme besser zu bewältigen und die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. In einigen anderen Ausführungsformen kann der Batteriesatz so konstruiert sein, dass er sich in einem eigenständigen Gehäuse befindet, das physisch mit der elektronischen Schaltungsbaugruppe 330 gekoppelt ist, um den Austausch des Batteriesatzes zu einem späteren Zeitpunkt nach der Erstinstallation zu ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Superkondensator ein integrierter Bestandteil der elektronischen Schaltungsbaugruppe 330, so dass ein Batteriesatz nur eine Batterie enthält und ihr Austausch nicht den Superkondensator ersetzt. Je nach erwarteter anfänglicher oder zusätzlicher Lebensdauer des angeschlossenen externen Durchflussmessers 220 können auch Batteriepakete mit unterschiedlicher Kapazität zur Auswahl stehen.
Es hat sich gezeigt, dass die Wasserverbraucher in vielen Regionen der Welt, in denen Wasser knapp und teuer wird, nicht über die nötigen Instrumente verfügen und nur einen begrenzten oder gar keinen Einblick in ihre tatsächlichen Verbrauchsmuster haben. Rechtzeitige, maßgeschneiderte und umsetzbare Erkenntnisse könnten die Verbraucher darüber informieren und anleiten, wie sie ihren eigenen Wasserverbrauch und ihre Ausgaben am besten optimieren und verwalten können. In einigen Ausführungsformen wird eine einfache, leicht zu installierende und einsatzbereite Lösung zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs und der damit verbundenen Kosten für ein ganzes Haus (drinnen und draußen) sowie für ein Gebäude mit mehreren Mietern und/oder eine gewerbliche Einrichtung (gesamtes Gelände und Untereinheiten wie jede Wohnung, jedes Büro oder jedes Zimmer) beschrieben.
Die 4A-4C sind Diagramme zur Veranschaulichung einer dreiteiligen piezoelektrischen Wandleranordnung zur Verwendung in einem angeschlossenen externen Durchflussmesser zur Messung des Wasserdurchflusses, gemäß einigen Ausführungsformen. 4A ist eine perspektivische Ansicht und zeigt die Ultraschallwandlerbaugruppe 322, die drei piezoelektrische Wandler 410, 412 und 414 umfasst. In einigen Ausführungsformen wird die Baugruppe 322 in einem externen Ultraschallzähler zum Anklemmen verwendet. Die drei Wandler sind in einem Trägerkörper 400 aus festem Material montiert, bei dem es sich in einigen Ausführungsformen um Acryl handelt. Der Acrylkörper 400 kann vertiefte Taschen oder Öffnungen enthalten, wie z. B. die Taschen 420, 422 und 424, die in dem Körper 400 ausgebildet sind, um die Wandler 410, 412 bzw. 414 aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Körper 400 auch massive Blöcke 430, 432 und 434, die so dimensioniert sind, dass sie einen einzigen festen Materialpfad für die Ultraschallenergie bilden, der zu und von den Wandlern 410, 412 und 414 verläuft. Es hat sich herausgestellt, dass Luftspalten, wie zwischen den Blöcken 430, 432 und 434 gezeigt, bei der Reduzierung von Übersprechstörungen helfen können. Ebenfalls in 4A dargestellt sind die elektrischen Leitungen 440, 442 und 444, die mit den Wandlern 410, 412 bzw. 414 verbunden sind. 4B ist eine Seitenansicht, die die außen an der Wasserleitung 200 montierte Baugruppe 322 zeigt. Zwischen den Blöcken 430, 432 und 434 und der Außenfläche des Rohrs 200 ist ein geeignetes Kupplungsmaterial (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) vorgesehen. Das Kupplungsmaterial sollte so ausgewählt werden, dass es sowohl angemessene Ultraschallübertragungseigenschaften bietet als auch die Montage der Baugruppe 322 an einer Reihe von Rohrgrößen ermöglicht und gleichzeitig die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und den Blöcken 430, 432 und 434 optimiert. Ein Klemmmechanismus, der die Baugruppe 322 fest an der Außenfläche des Rohrs 200 hält, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt. 4C ist eine Draufsicht, die zeigt, wie die Ultraschallwandlerbaugruppe 322 mit den Klemmen 450 und 452 an der Außenfläche des Wasserrohrs 200 festgeklemmt wird. Die Auswahl des Klemmmechanismus, mit dem die Wandlerbaugruppe 322 sicher an der Außenfläche des Wasserrohrs 200 befestigt wird, sollte im Allgemeinen von den zu erwartenden Bedingungen (z. B. mögliche direkte Sonneneinstrahlung, Temperaturbereiche), der Dauer des zu erwartenden Einsatzes sowie von Faktoren wie der Einfachheit der Installation abhängen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Form von Befestigungselementen mit Ratsche, wie z. B. ein Kabelbinder, verwendet werden, dessen Materialien mit den zu erwartenden Rohrmaterialien und anderen Bedingungen kompatibel sind.
Es hat sich gezeigt, dass eine Anordnung von drei Ultraschallwandlern, wie sie in der Baugruppe 322 in den Die 4A-4C, eine automatische Erkennung und Selbstkalibrierung ermöglichen kann, so dass der externe Ultraschallwasserzähler durchgängig hochpräzise Messungen des Flüssigkeitsdurchflusses mit einer vergleichbaren Genauigkeit wie die Inline-Wasserzähler erzielen kann. Die hier beschriebenen Durchflussmesser, die solche Anordnungen verwenden, eignen sich daher für die Wasserzählung in Wohngebäuden und für Unterzähleranwendungen. Gemäß einigen Ausführungsformen können die externen Ultraschallwasserzähler an Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern (ob dem Installateur bekannt oder unbekannt), mit verschiedenen Rohrmaterialien (z. B. Kupfer, PVC oder andere), mit unterschiedlichen Rohrwandstärken, Dickentoleranzen und Rohrinnenablagerungen installiert werden und in erwarteten unterschiedlichen Umgebungs- und Wassertemperaturbereichen arbeiten.
5 ist ein schematisches Diagramm, das Aspekte einer extern montierten Wandlerbaugruppe veranschaulicht, die Teil eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses gemäß einigen Ausführungsformen ist. Die Ultraschallwandlerbaugruppe 322 ist an der Außenseite des Rohrs 200 montiert. Die Ultraschallwellenwege 510 und 512 sind von den Wandlern 410 bzw. 412 dargestellt. Die Pfade 510 und 512 werden durch den Baugruppenkörper 400, durch die Rohrwand 500 des Rohrs 200 und durch das Wasser im Rohr 200 gezeigt. Obwohl die Pfade 510 und 512 zur Verdeutlichung in der Praxis getrennt dargestellt sind, könnten sie zusammenfallen, wenn auch in entgegengesetzte Richtungen.
Die Grundgleichung zur Berechnung der Wasserdurchflussmenge lautet: $Q = A \cdot V$
wobei Q der Wasserdurchfluss ist, typischerweise in Gallonen pro Minute oder Litern pro Minute; A ist die Querschnittsfläche des Innenrohrs, durch das das Wasser fließt; und V ist die Geschwindigkeit des fließenden Wassers. Um hochpräzise Messungen zu erhalten, z. B. innerhalb der von den Zertifizierungsstellen für Messgeräte geforderten Genauigkeit von 1,5 % über die erwarteten Betriebsbedingungen, muss der Innendurchmesser D des Rohrs genau genug bestimmt werden, um den genauen Wert von A zu erhalten, und die Fließgeschwindigkeit V muss genau berechnet werden.
Nachfolgend sind einige der wichtigsten Überlegungen und Herausforderungen aufgeführt, mit denen externe Zähler bei der Bestimmung genauer Werte für D und V konfrontiert sind. Der Rohrinnendurchmesser D in 5 ist als Abstand zwischen den gegenüberliegenden Rohrinnenwänden 504 und 506 dargestellt. Bei Inline-Ultraschall-Wasserzählern kann der Rohrdurchmesser D im Rahmen des Konstruktions- und Fertigungsprozesses genau kontrolliert werden und ist daher eine bekannte Konstante. Bei externen Ultraschallwasserzählern kann das zugrundeliegende Wasserrohr jedoch aus einer Vielzahl von Durchmessern bestehen (z. B. 5/8", 3/4", 1", 1-1/4", 1-1/2" usw.), und, was noch kritischer ist, bei einem bekannten externen Rohrdurchmesser kann die Wandstärke des Rohrs (Wand 500 in 5) aufgrund von Toleranzen bei der Rohrherstellung und der Art des Rohrs erheblich variieren. Siehe z. B.: Typ K, L oder M für Kupferrohre, gemäß dem „Copper Tube Handbook“, CDA-Publikation A4015-14/19 der Copper Development Association, S. 64-66. Darüber hinaus kann das Wasserrohr an der Messstelle im Laufe der Jahre Ablagerungen gebildet haben oder innen korrodiert sein, wodurch sich der Innendurchmesser und damit die effektive Wasserdurchflussquerschnittsfläche mit der Zeit verändert. Daher können bei externen Ultraschallwasserzählern die Unsicherheiten um den Wert von D zu groß sein, um Wasserdurchflussmessungen mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen.
Die Geschwindigkeit V kann wie folgt berechnet werden: $V = (C^{2} \cdot DToF) / (2 L)$
wobei C die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist, die stark von der Wassertemperatur abhängt, DToF die Differenz der Laufzeitwerte zwischen stromaufwärts und stromabwärts ist und L die genaue Entfernung darstellt, die die Ultraschallwellen im Wassermedium zurücklegen.
Eine alternative Methode zur Berechnung von V, bei der der stark temperaturabhängige Parameter C aus den Berechnungen eliminiert wird, ist in „An Implementation of Ultrasonic Water Meter using dToF Measurement“ von Chul-Ho Lee, Hye-Kyung Jeon und Youn-Sik Hong von cogent engineering, August 2017, und im TI-Anwendungsbericht SNIA020 „Ultrasonic Sensing for Water Flow Meters and Heat Meters, April 2015“ beschrieben, deren Offenlegungen, einschließlich der Offenlegungen in Bezug auf Systeme und Verfahren zur Durchflussmessung, durch Bezugnahme in vollem Umfang in dieses Dokument aufgenommen werden. Hier wird die Gleichung für V: $V = (L \cdot DToF) / (t_{L}^{2})$
wobei t_L der Durchschnitt der Zeit ist, die die Ultraschallwelle stromaufwärts und stromabwärts braucht, um das Wassermedium zu durchlaufen.
Die genaue Berechnung von V kann dann davon abhängen, ob genaue Werte für (i) t_L, (ii) DToF und (iii) L vorliegen. Wenn der Übertragungsweg der Ultraschallwelle nicht parallel zur Richtung des Wasserflusses im Rohr verläuft, kann je nach Konfiguration des Ultraschallwandlers auch der Einfallswinkel der Ultraschallwelle relativ zur Wasserflussrichtung, dargestellt durch θ, zur Berechnung von V erforderlich sein. Bei Leitungswasserzählern ist der Wert von L eine bekannte Konstante, da er konstruktionsbedingt festgelegt ist und im Herstellungsprozess des Zählers kontrolliert und/oder bei der Kalibrierung im Werk berücksichtigt werden kann. Daher kann V auf der Grundlage genauer Messungen von DToF und t_L mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden. Bei externen Ultraschallwasserzählern ist der Wert für L jedoch keine Konstante und nicht ohne weiteres verfügbar. L hängt vom Rohrinnendurchmesser D ab, der, wie oben beschrieben, nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. Darüber hinaus wird L durch Schwankungen der Rohrwanddicke W bei einer bestimmten Positionierung des piezoelektrischen Wandlers stromaufwärts/stromabwärts beeinflusst. Selbst wenn die Werte von D und W genau bekannt wären, ist L über den erwarteten Betriebstemperaturbereich des Wassers keine Konstante, da L mit der Änderung der Schallgeschwindigkeit im Wasser variiert, die durch Schwankungen der Wassertemperatur verursacht wird, da der Einfallswinkel der Ultraschallwellen im Wasser, θ, ebenfalls mit der Wassertemperatur sowie mit dem spezifischen Rohrmaterial variiert, was zu weiteren Komplikationen, Schwankungen und Unsicherheiten führt. Daher können bei externen Ultraschallwasserzählern die Unsicherheiten in Bezug auf den Wert von L sowie den Einfallswinkel der Ultraschallwellen θ sehr groß sein, was eine ausreichend genaue Messung des Wasserdurchsatzes verhindert.
In einigen Ausführungsformen wird eine Konfiguration mit zwei piezoelektrischen Wandlern, die zum Senden und Empfangen von stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Ultraschallwellen verwendet wird, durch einen dritten piezoelektrischen Wandler ergänzt. In einigen Ausführungsformen wird der dritte piezoelektrische Wandler 414 in der Mitte zwischen dem ersten piezoelektrischen Wandler 410 und dem zweiten piezoelektrischen Wandler 412 angeordnet, die ihrerseits in einer „V-Prall“- oder „W-Prall“-Konfiguration ausgerichtet sein können. Für jede beliebige Installation des externen Ultraschallzählers an einem bestimmten Wasserrohr und für die Dauer der Installation ist diese Dreipiezokonfiguration in der Lage, mit ausreichender Genauigkeit, unabhängig von der Luft- oder Flüssigkeits-/Wassertemperatur und für die oben beschriebenen unterschiedlichen Wasserrohrparameter, die Werte von: (1) A, die Querschnittsfläche des inneren Rohres, durch das das Wasser fließt; (2) L, die Länge, die die Ultraschallwellen im Wasser zurücklegen; und (3) θ, der Einfallswinkel der Ultraschallwelle in das Wasser.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der externe Ultraschallzähler 220 (dargestellt in 2) so konfiguriert, dass er einen Selbsterkennungs- und Selbstkalibrierungsprozess durchläuft, der eine Reihe von anfänglichen Messungen und Berechnungen umfasst, um anfängliche Kalibrierungsfaktoren, Parameter und Offsets zu erzeugen, sowie periodische laufende Messungen und Berechnungen, die die typische stromaufwärts/stromabwärts gerichtete Signalisierung des Ultraschallzählers ergänzen, und Daten zur Ableitung hinreichend genauer Werte für A, L und θ erzeugen, die zur genauen Bestimmung der Wasserdurchflussmenge Q erforderlich sind, und Umweltfaktoren wie Temperatur und herstellungs- und installationsbedingte Unsicherheiten wie Rohrmaterial, Durchmesser, Wandstärke, Ablagerungen und Oxidation, Wassertemperatur, Alterung usw. berücksichtigen.
In einigen Ausführungsformen wird ein externer Ultraschallzähler beschrieben, der aktiv auf Manipulationen überwacht und Informationen mit vernetzten Mikrofonen austauschen kann, um die Klassifizierung von Wasserverbrauchsereignissen zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen kann der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so konfiguriert werden, dass er einen anfänglichen Selbstkalibrierungsprozess durchläuft, bei dem die Hauptwasserleitung oder das Versorgungsventil abgesperrt wird, um sicherzustellen, dass an der Stelle, an der der angeschlossene externe Durchflussmesser angeschlossen ist, kein Wasser durch die Leitung fließt. Der Selbstkalibrierungsprozess kann die Erzeugung eines oder mehrerer Kalibrierungsfaktoren beinhalten, die bei der Berechnung der Entfernung, die eine akustische Ultraschallwelle im Wassermedium zurücklegt, verwendet werden. Beispiele für derartige Kalibrierungsfaktoren sind u. a. Zeitversatzkonstanten. Die Zeitperioden-Offsetkonstanten können verwendet werden, um Abweichungen in der Ultraschallimpuls-Laufzeit zu kompensieren, die in stromaufwärts und stromabwärts gerichteter Richtung bei einem Null-Wasserfluss gemessen werden. Solche Abweichungen oder Asymmetrien können mit der Installation und/oder Herstellung des angeschlossenen externen Durchflussmessers 220 zusammenhängen. Der Selbstkalibrierungsprozess kann mit einer bestimmten, durch den Temperatursensor gemessenen Rohrtemperatur verbunden sein, und die sich ergebenden Werte können von Bedingungen abhängen und angepasst werden, bei denen die Temperatur des Rohrs oder die Temperatur des im Rohr fließenden Wassers von der Selbstkalibrierungs-Temperatur abweicht. Ein solcher Kalibrierungsprozess kann verwendet werden, um spezifische Offsets zu korrigieren, die eine Anpassung der Laufzeit ermöglichen könnten. Andere Kalibrierungsprozesse können entsprechend den Anforderungen spezifischer Anwendungen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen wird die Temperaturkompensation verwendet, um die Genauigkeit der Delta-Laufzeitmessung bei sehr niedrigen und Null-Durchflussraten durch die Wasserleitung zu verbessern, was zu falschen Anzeigen eines geringen Wasserdurchflusses führen könnte, wenn das Wasser stillsteht und nicht durch die Leitung fließt. In einigen Ausführungsformen wird die Temperaturkompensation in der elektronischen Schaltungsbaugruppe 330, z. B. im Prozessor, durchgeführt. Die Dateneingänge des mit dem Wasserrohr verbundenen Temperatursensors werden verwendet, um bekannte Laufzeitschwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur zu kompensieren, die für Ultraschallwellen mit vorgegebenen Frequenzen, die sich im Wasser bewegen, charakteristisch sind.
In einigen Fällen, in denen mehrere Wasserleitungen eine einzelne Wohnung versorgen, werden pro Wohnung mehrere angeschlossene externe Durchflussmesser 220 installiert, die den Wasserverbrauch auf Wohnungsebene in einem bestimmten Zeitraum sowie den Zählerstand einer Wohnung als Aggregation der Zählerstände aller angeschlossenen externen Durchflussmesser 220, die der jeweiligen Wohnung zugeordnet sind, erfassen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine lokale Netzwerkerweiterung, wie z. B. ein Bluetooth Low Energy Netzwerk, für sekundäre Anwendungen eingerichtet und genutzt werden. Beispiele für solche sekundären Anwendungen sind unter anderem standortbezogene Dienste und Nachrichtendienste. Beispiele für Nachrichtenübermittlungsdienste sind: (i) Generierung von Bestätigungen und Zeitstempeln für die Zustellung von Paketen, die passende BLE- oder andere relevante Netzwerk-Tags enthalten und abgeholt werden, wenn das Paket in die Nähe des erweiterten lokalen Netzwerks kommt; (ii) Identifizierung von interessantem Verkehr, der in ein Haus/eine Wohnung/einen Standort hinein- oder herauskommt, wie z. B. Kinder mit Rucksäcken, Fahrräder, Fahrzeuge usw.; (iii) Zielsuchbaken, um Drohnen zu einer bestimmten Haus-/Grundstücksadresse zu leiten; und (iv) elektronische Nachrichten und/oder Befehle, die an Benutzergeräte, Fahrzeuge und/oder Objekte zugestellt werden oder in der Warteschlange stehen, sobald sich diese Objekte in der Nähe des Standorts befinden.
6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das ein angeschlossenes Messsystem zeigt, das einen angeschlossenen externen Durchflussmesser umfasst, der mit netzwerkverbundenen Mikrofonen zusammenarbeitet, gemäß einigen Ausführungsformen. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 ist von dem/den angeschlossenen Mikrofon(en) 620 entfernt angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist/sind das/die angeschlossene(n) Mikrofon(e) 620 Teil eines Hausautomatisierungssystems oder einer KI-Technologie mit virtuellem Assistenten, wie z. B. der Alexa-Technologie von Amazon. Die Mikrofone 620 können so konfiguriert und positioniert werden, dass sie Audioaufnahmen machen, auch wenn wasserverbrauchende Geräte und Vorrichtungen im Haus in Betrieb sind. Die Mikrofone 620 können über das Netzwerk 610 mit einem Verarbeitungssystem 640 verbunden werden, das Klassifikatoren verwendet, um Audiosignaturen mit dem Wasserverbrauch zu korrelieren. Die Klassifizierung der Audiosignaturen kann mit klassifizierten Wasserdurchflussdaten verbessert werden, bei denen die Wasserdurchflussdaten separat mit dem Typ des verbrauchenden Geräts oder der Vorrichtung korreliert sind. Die Audioklassifizierung kann auch zur Verbesserung der Klassifizierung von Wasserdurchflussdaten von einem angeschlossenen externen Durchflussmesser 220 verwendet werden. Beispiele für Klassifizierungen, die der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 und das angeschlossene Messsystem 202 unterscheiden und zuordnen können, sind u. a.: der Betrieb verschiedener Wasser verbrauchender Geräte im Haushalt (z. B. Toilette, Geschirrspüler, Waschmaschine, Waschbecken, Dusche usw.); der Betrieb von Wasserverbrauch im Freien (z. B. Bewässerung) im Gegensatz zu Wasserverbrauch in Innenräumen; Zustände oder Ausfälle von Wasser verbrauchenden Geräten (z. B. undichte Toilette); und Parameter für verschiedene Wasser verbrauchende Geräte (z. B. durchschnittliche Wassermenge pro Toilettenspülung). Gemäß einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Beispielklassifizierungen durch das System 202, wie in 2 gezeigt, ohne Hilfe angeschlossener Mikrofone vorgenommen werden.
In einigen Ausführungsformen werden die angeschlossenen externen Durchflussmesser stromabwärts von Inline-Wassersensoren installiert, wie z. B. den Inline-Zählern, die typischerweise von Wasserversorgungsunternehmen verwendet werden, um das Wasser zu messen, das über eine zentrale Leitung vom Wasserversorgungsunternehmen in eine Wohnung oder ein Mehrfamilienhaus fließt. Die angeschlossenen externen Durchflussmesser 220 können auch Teil eines Netzwerks anderer Sensoren sein, wie z. B. eines Temperatursensors im Spülkasten einer Toilette, der Daten liefert, die das Wissen über den Wasserverbrauch oder die Nutzungsbedingungen verbessern können. Ein Verfahren zur Aufrechterhaltung des Betriebs von Geschirrspülern und Waschmaschinen stützt sich auf die Klassifizierung des Wasserverbrauchs und bestimmt die Anzahl der Betriebszyklen des Geräts und kann für die Verwaltung anderer für den Maschinenbetrieb erforderlicher Eingaben verwendet werden, z. B. für die vorbeugende Wartung und für die Sicherstellung von Vorräten, die für den Betrieb des Geräts benötigt werden, um eine Erschöpfung der Vorräte zu vermeiden.
7 ist ein schematisches Diagramm, das Oberflächenwellen zeigt, die von einer extern montierten Wandleranordnung gemessen werden, die Teil eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Messung des Wasserdurchflusses ist, gemäß einigen Ausführungsformen. Die Wellenpfade 710 und 712 sind von den Wandlern 410 bzw. 412 dargestellt. Die Pfade 710 und 712 sind durch den Baugruppenkörper 400 und entlang der Außenfläche 700 der Wand 500 des Rohrs 200 dargestellt. Obwohl die Pfade 710 und 712 der Übersichtlichkeit halber getrennt dargestellt sind, könnten sie in der Praxis zusammenfallen, wenn auch in entgegengesetzte Richtungen. In einigen Ausführungsformen setzt der angeschlossene externe Durchflussmesser aktive Techniken zur Erkennung von Manipulationen ein. Die aktiven Techniken können eine Verbesserung gegenüber der mechanischen Manipulationssicherung bieten, die üblicherweise bei der nächsten visuellen Inspektion erkannt wird. Die aktiven Techniken zur Erkennung von Manipulationen können umfassen: (1) wenn gemessene Werte der Laufzeit von Signalen, die den Wasserdurchfluss messen, außerhalb eines definierten angemessenen Bereichs liegen, nachdem sie sich in diesem Bereich befunden haben; (2) wenn der gemessene Innendurchmesser des Rohrs während des Betriebs in einem kurzen Zeitraum signifikant zu- oder abgenommen hat; (3) wenn Oberflächenwellen, t_s, die in 7 als Wellenpfade 710 und/oder 712 dargestellt, die sich zwischen den Wandlern 410 und 412 ausbreiten, nicht mehr erfasst werden oder eine Laufzeit außerhalb des erwarteten Zeitfensters haben, kann festgestellt werden, dass sich der angeschlossene externe Durchflussmesser von einem Rohr gelöst hat; (4) der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 mit einem Sicherungsband ausgestattet ist, das eine elektrische Verbindung für einen Widerstands-, Spannungs- oder Magnettest bereitstellen kann, wobei, wenn der Zähler nach Bestehen des Widerstands-, Spannungs- oder Magnettests den Test nicht besteht, er möglicherweise manipuliert wurde; und (5) der angeschlossene externe Durchflussmesser WAN-Technologie, einschließlich Mobilfunknetze, für seine Konnektivität verwenden kann. Ein plötzlicher und dann anhaltender Signalverlust kann ein Hinweis auf Manipulationen sein. Die Signalstärke anderer angeschlossener externer Durchflussmesser in der Nähe, die dasselbe WAN verwenden, kann ebenfalls verglichen werden, um eine Manipulation festzustellen.
In einigen Ausführungsformen werden ein oder mehrere angeschlossene externe Durchflussmesser 220 stromabwärts von einem oder mehreren anderen angeschlossenen externen Durchflussmessern installiert. Dies könnte der Fall sein, wenn die Wasserleitung(en), die eine Wohnung versorgen, auch eine oder mehrere Wohnungen versorgen, wie in einigen Gebäuden mit mehreren Mietern.
8 ist eine Illustration einer virtuellen Statusanzeige eines angeschlossenen externen Durchflussmessers, der Teil eines angeschlossenen Messsystems ist, gemäß einigen Ausführungsformen. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 kann eine digitale Anzeige haben, die den kumulativen Zählerstand des Wasserverbrauchs anzeigt, und kann auch einen Quick Response (QR)-Code haben, der aufgedruckt, geätzt oder anderweitig an der Außenseite des angeschlossenen externen Durchflussmessers angebracht ist. Durch Scannen des QR-Codes wird die virtuelle Statusseite 800 für den angeschlossenen externen Durchflussmesser auf der Benutzeroberfläche 230 angezeigt. Die virtuelle Statusseite 800 kann unter anderem Folgendes enthalten: den aktuellen oder zuletzt gemeldeten Zählerstand, die Wassertemperatur, die Durchflussmenge und -richtung, den Batteriestatus und Ereignisbenachrichtigungen. In einigen Ausführungsformen kann die virtuelle Statusseite 800 anstelle einer physisch integrierten digitalen Anzeige verwendet werden. Die digitale Anzeige auf dem angeschlossenen externen Durchflussmesser sowie die virtuelle Statusseite können den Nettowasserverbrauch für diese Wohnung für einen bestimmten Zeitraum anstelle des kumulativen Zählerstands oder zusätzlich zu diesem anzeigen, wenn angeschlossene externe Durchflussmesser in Wasserleitungen, die mehrere Einheiten versorgen, kaskadiert sind.
In einigen Ausführungsformen verfügt der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 über Energieverwaltungssysteme, die die Häufigkeit und die Modi der Verbindung mit dem Mobilfunknetz einschränken, wie z. B. der Energiesparmodus (PSM) von LTE CAT-M. Solche Schemata können einen sehr geringen Stromverbrauch im Ruhezustand und bei der Wiederverbindung mit dem Netz ermöglichen (z. B. indem sie sich nicht auf einen stromverbrauchenden Neuregistrierungsprozess stützen), oder sie können dem Mobilfunkmodul vollständig den Strom entziehen, um den in elektrischen Halbleiterschaltungen auftretenden Leckstrom zu eliminieren, wenn Daten nur selten (z. B. höchstens einmal pro Tag) gesendet werden sollen. Andere Beispiele für Energieverwaltungssysteme umfassen die Verwendung einer Ereigniserkennung innerhalb des Durchflussmessgeräts, die den Beginn und das Ende einzelner und inkrementeller Wasserflussereignisse bestimmen kann. Die Verarbeitung von Durchflussdaten durch den Prozessor kann auf die Zeiten beschränkt werden, in denen Wasserdurchflussereignisse auftreten, was typischerweise weniger als 3 % der Zeit oder weniger als eine Stunde Wasserdurchfluss in einem typischen Haushalt an einem 24-Stunden-Tag ist. Andere Beispiele für Energieverwaltungssysteme umfassen die dynamische Veränderung des Zeitintervalls zwischen Ultraschallmessungen, um den Stromverbrauch zu reduzieren, wenn keine Wasserdurchflussereignisse erkannt werden, oder um eine höhere Auflösung während der Wasserdurchflussereignisse zu erreichen, und den Betrieb in einem energiesparenden Vorinstallationszustand ohne drahtlose Kommunikation oder Wasserdurchflussmessung. Der angeschlossene externe Durchflussmesser kann nach Abschluss der Tests im Herstellungsprozess in einen Modus mit geringer Leistungsaufnahme versetzt werden und in diesem Vorinstallationszustand verbleiben, bis eine Oberflächenwelle, t_s, wie in 7 dargestellt, zwischen den beiden Durchflusswandlern erfasst wird, die anzeigt, dass ein angeschlossener externer Durchflussmesser zunächst an einem Rohr angebracht wird. Dieser Vorinstallationszustand, bei dem auch die drahtlose Kommunikation deaktiviert wird, kann auch als Sicherheitsmodus für den Lufttransport dienen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das angeschlossene Messsystem und/oder der angeschlossene externe Durchflussmesser Datenkompressionsverfahren, die die über die Luft zu übertragende Datenmenge reduzieren, wodurch die Kosten für den drahtlosen Datentransport und die Zeit für die Datenübertragung gesenkt werden und somit Energie gespart wird.
Bei einigen Ausführungsformen verwendet der angeschlossene externe Durchflussmesser bei der Messung der Laufzeit eine Maskierung bestimmter Zeitfenster, um Signale aufgrund unerwünschter Reflexionen herauszufiltern. Bei den Maskierungsfenstern handelt es sich um vorgegebene Werte, die je nach der erfassten Rohrgröße oder dem Rohrmaterial variieren können.
In einigen Ausführungsformen kann der Innendurchmesser durch Vergleich und Abgleich der gemessenen Laufzeit der Ultraschallwellen/-impulse und ihrer Differenzen mit einer Reihe von erwarteten berechneten Laufzeitzahlen/-zeiten in Wasser mit einem orthogonalen Weg durch das Rohr in Verbindung mit Wasserrohren verschiedener Standarddurchmesser (d. h. 5/8", 3/4", 1", 1-1/4", 1-1/2" usw.) berechnet werden. Auf der Grundlage des obigen Vergleichs kann der wahrscheinlichste Wasserrohrdurchmesser ausgewählt werden, und dieser Rohrdurchmesser kann mit dem angeschlossenen externen Durchflussmesser verbunden werden, der in einem bestimmten Haus/einer bestimmten Wohnung/einem bestimmten Standort installiert ist.
In einigen Ausführungsformen wird eine Benutzeroberfläche 230 bereitgestellt, die auf einem Benutzergerät wie einem Mobiltelefon, einem Tablet, einem Computer oder einem anderen angeschlossenen elektronischen Display, über eine Anwendung, ein Webportal oder eine Nachricht (Text, E-Mail, Push-Benachrichtigung oder andere) angezeigt werden kann. Ein Beispiel für die Benutzeroberfläche 230 ist in 8 dargestellt. Die Statusseite 800 enthält Daten und Einblicke in Bezug auf tatsächliche Wasserverbrauchsmuster und -kategorien nahezu in Echtzeit sowie verschiedene Arten von Benachrichtigungen und Warnungen bei abweichenden Verbrauchsmustern, erkannten Möglichkeiten zur Optimierung des Wasserverbrauchs oder bei einem Verbrauchstrend in höhere Preisklassen. Eine solche Benutzerschnittstelle 230 greift auf Inhalte von einem Backend-Server 240 zu, mit dem sie über das Netzwerk 210 (z. B. Internet, Mobilfunknetz oder ein anderes öffentliches oder privates Netzwerk) kommuniziert. Die Benutzerschnittstelle 230 kann eine eindeutige URL für den Zugriff auf die Messdaten für angeschlossene externe Durchflussmesser haben, wobei diese URL in einem Quick Response (QR)-Code dargestellt werden kann, der an einer oder mehreren Stellen verfügbar ist, wie z. B. auf dem angeschlossenen externen Durchflussmesser 220, auf einer zugänglichen Fläche in der Wohnung oder Einheit oder in einem Verwaltungsbüro. Die Benutzerschnittstelle 230 kann als primäres Mittel zur Anzeige von Wasserverbrauchsdaten dienen und die Daten von einem oder mehreren angeschlossenen externen Durchflussmessern als einzelne Zähler oder logisch aggregiert pro Wohnung, Einheit, Suite, pro Gebäude oder Campus darstellen und die in einem bestimmten Zeitraum verbrauchte Wassermenge wiedergeben. Der QR-Code kann auch den Standort der Daten anzeigen, um eine Augmented-Reality-Ansicht des angeschlossenen externen Durchflussmessers zu unterstützen.
9 ist ein Blockdiagramm eines Serversystems, das mit einem angeschlossenen Messsystem zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs kommuniziert und Teil davon ist, gemäß einigen Ausführungsformen. Der Backend-Server 240 kann sich in der Cloud, einem Rechenzentrum oder vor Ort befinden. Der Server 240 kann verschiedene Mikrodienste bereitstellen, einschließlich einer Datenbank, die die rohen und verarbeiteten Daten für die Details des Wasserverbrauchs jedes Hauses/jeder Wohnung/jedes Standorts enthält, die von einem angeschlossenen externen Durchflussmesser empfangen/gesammelt werden. Die verarbeiteten Daten können den tatsächlichen Wasserverbrauch eines Hauses pro Ereignis/Verwendung enthalten, der einem oder mehreren Ereignistypen aus einem vordefinierten oder vom Benutzer identifizierten Satz von Wasserverbrauchskategorien zugeordnet ist. Die verarbeiteten Daten können auch Folgendes umfassen: (1) den Durchmesser der Wasserleitung, an der der angeschlossene externe Durchflussmesser installiert ist; (2) die Zählerstände, die den kumulativen Wasserverbrauch widerspiegeln, wie er für herkömmliche Wasserzähler typisch ist; (3) die Beziehung zwischen mehreren angeschlossenen externen Durchflussmessern, die in derselben Wohnung installiert sind, und die Aggregation von Wasserverbrauchsdaten aus dieser Wohnung; (4) die Beziehung zwischen mehreren angeschlossenen externen Durchflussmessern, die in verschiedenen Wohnungen mit kaskadierten Wasserleitungen installiert sind, und die Bestimmung des differentiellen Wasserverbrauchs, um den korrekten Wasserverbrauch für jede Wohnung wiederzugeben; und (5) Statusinformationen über den Zustand und die Leistung des angeschlossenen externen Durchflussmessers, wie z. B. seine Selbstkalibrierungswerte, die verbleibende Batterielebensdauer, die Stärke des Funksignals, den Zustand des angeschlossenen externen Durchflussmessers und festgestellte Manipulationen.
Server 240 kann auch so konfiguriert werden, dass er eine Maschine für maschinelles Lernen (ML) bereitstellt, die Folgendes umfasst: (1) einen überwachten ML-Algorithmus, der verwendet wird, um tatsächliche Wasserverbrauchsdaten zu klassifizieren und abzubilden, wie z. B. die Wasserdurchflussraten oder Wasserdurchflussvolumina im Verhältnis zur Zeit (z. B. Gallonen pro Sekunde, pro Minute oder Stunde) in einen vordefinierten und/oder vom Benutzer identifizierten Satz von Wasserverbrauchskategorien, wie z. B. Landschaftsgestaltung, Duschen, Wäsche, Geschirrspüler, Pool, Toilette, Wasserhahn usw. und (2) Algorithmen des maschinellen Lernens, die fortlaufend den historischen Wasserverbrauch eines bestimmten Hauses/einer bestimmten Wohnung/eines bestimmten Standorts analysieren, um die regelmäßigen/üblichen Verbrauchsmuster zu erlernen, und dann neue Daten vom angeschlossenen externen Durchflussmesser 220 aufnehmen, um bestimmte Arten von möglicherweise abweichenden/ungewöhnlichen Wasserflussmustern zu identifizieren, die auf Wasserverschwendung hindeuten könnten, einschließlich ständiger Wasserlecks im Innen-/Außenbereich, defekter Sprinkler, Lecks mit einer gewissen Periodizität, wie z. B. solche, die durch abgenutzte Toilettenklappen entstehen. In einigen Ausführungsformen werden Algorithmen des maschinellen Lernens verwendet, um die tatsächlichen Wasserverbrauchsmuster jedes Zielhauses/jeder Zielanlage mit den effektivsten Wasseroptimierungslösungen aus einem vordefinierten Satz von Wassersparlösungen abzugleichen, die intelligente Bewässerungssysteme, Lösungen für eine wassersparende Landschaftsgestaltung, Poolabdeckungen, Duschen mit geringem Durchfluss, wassersparendere Toiletten und Geräte, Wasserauffangsysteme und andere wassersparendere Optionen von einem Marktplatz umfassen können, um die Einführung zu erleichtern. Die ML-Engine kann auch Algorithmen des maschinellen Lernens enthalten, die analysieren, wann und wie viel Wasser von mehreren angeschlossenen externen Durchflussmessern pro Gebäude mit mehreren Mietparteien fließt, um kaskadierte angeschlossene externe Durchflussmesser zu identifizieren, so dass die bestimmten angeschlossenen externen Durchflussmesser auch den Verbrauch anderer nachgelagerter Wohnungen messen, so dass differenzierte Mess- und Berechnungstechniken verwendet werden können oder korrigierende Änderungen an den Rohrleitungen vorgenommen werden können.
Server 240 kann auch so konfiguriert werden, dass er Folgendes bereitstellt: ein Benachrichtigungssystem zum Senden von Warnungen und Nachrichten an den Verbraucher; ein sicheres Sitzungsmanagement für den Transport von Befehlen und Daten zu und von dem angeschlossenen externen Durchflussmesser; und/oder Kontoverwaltungs- und Aktivierungsdienste. Beispiele für Dienste, die angeboten werden können, sind: die Koordinierung der Kontoeinrichtung, die Bereitstellung aktueller Installationsanweisungen, die Aktivierung des angeschlossenen externen Durchflussmessers, die Kopplung mit einem physischen Haus/Wohnung/Standort und die Verwaltung von Abonnements und/oder Zahlungen. Für solche Dienste könnten Daten erforderlich sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: die physische Adresse des Hauses/der Wohnung/des Standorts, Kreditkarteninformationen, Kontaktinformationen (E-Mail-Adresse, Mobiltelefon-/SMS-Nummer, Verbraucherpräferenzen), Seriennummer des angeschlossenen externen Durchflussmessers, ICCID der SIM-Karte, IMEI- und/oder ESN-Nummer.
Server 240 kann auch so konfiguriert werden, dass er Folgendes bereitstellt: Anwendungen zur Datenentkomprimierung, um die komprimierten Zählerdaten zu verarbeiten, und/oder Anwendungen zur Überwachung des Zähler- und Netzwerkzustands, die den Zustand und die voraussichtliche Lebensdauer der angeschlossenen externen Durchflussmesser sowie die Qualität der Netzwerkverbindung überwachen und darüber berichten.
Der Server 240 kann auch so konfiguriert werden, dass er Anwendungen zur Verfügung stellt, die spezifische betriebliche Erkenntnisse für Wohnungseigentümer und Hausverwalter erfassen, wie z. B. die Schätzung der Anzahl der in einer Wohnung lebenden Personen auf der Grundlage der Anzahl der Duschen und Toilettenspülungen oder anderer Wasserverbrauchsmuster in einem bestimmten Zeitraum, den unerwarteten Wasserverbrauch in Wohnungen, die als unbewohnt gekennzeichnet sind, und die Erzeugung von Warnungen für die Ausnahmefälle.
In einigen Ausführungsformen kann eine Teilmenge der im Beispiel von 9 gezeigten Komponenten im Server 240 enthalten sein. In einigen Ausführungsformen kann der Server 240 den Prozessor 930 und die Kommunikationsschnittstellen 940 enthalten, während der Speicher 910 die Fernsensordaten 920 und die Zähler- und Rechnungsanwendung 912 enthalten kann. Der Speicher 910 könnte die Anwendung für maschinelles Lernen und Nutzungsklassifizierung 914, die Warnanwendung 916, die Zähleridentifizierungs- und Kalibrierungsdaten 918, die Datenbank mit historischen Sensordaten 922, die Anwendung für die Konto- und Abonnementverwaltung 924, die Datendekomprimierungsanwendungen 926, die Anwendungen für die Überwachung des Zähler- und Netzzustands 927 und die Anwendungen für die Anzeige des Zählers in virtueller oder erweiterter Realität 928 nicht enthalten. Gemäß einigen Ausführungsformen könnte ein besser ausgestatteter Server 240 zusätzlich die Anwendung 914 für maschinelles Lernen und Nutzungsklassifizierung, die Datenbank mit historischen Sensordaten 922 und die Anwendungen 928 für die Anzeige von Zählern in virtueller oder erweiterter Realität umfassen.
Wie oben beschrieben, ist die genaue Messung des Innendurchmessers D eines Rohrs, das mit einer Flüssigkeit unbekannter Temperatur gefüllt ist, eine Herausforderung. Die Temperatur der Flüssigkeit kann sich während des Wasserflusses erheblich von der Temperatur des Rohrs unterscheiden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Rohrmaterial kein guter Wärmeleiter ist, wie z. B. bei PVC, oder wenn sich das Wasser im Rohr an der Messstelle der Umgebungstemperatur angenähert hat, die viel höher oder niedriger sein kann als die Temperatur des unterirdischen, etwas isolierten Wassers, das bei einem Wasserverbrauchsereignis durchfließt. 10 ist eine Seitenansicht, die ein Ultraschallwandlermodul zeigt, das für die Selbstkalibrierung und Selbstbestimmung des Innendurchmessers des Rohrs gemäß einigen Ausführungsformen konfiguriert ist. Die 11 und 12 sind Blockdiagramme, die Aspekte der Bestimmung des Rohrinnendurchmessers gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulichen. Durch das unten beschriebene Verfahren, das auch in den Die 10-12 dargestellt ist, kann der Wert von D genau bestimmt werden. In 11, Block 1110, wird sichergestellt, dass das Wasser im Rohr nicht fließt. In Block 1112 wird geprüft, ob das Rohr mit Wasser gefüllt ist. In Block 1114 wird die externe Anfangstemperatur des Rohrs T_i gemessen. In Block 1116 wird eine erste Schätzung der Wassergeschwindigkeit V_i auf der Grundlage des Wertes von T_i vorgenommen. In Block 1118 werden Ultraschallimpulse von einem vertikal ausgerichteten piezoelektrischen Wandler (z. B. Wandler 414 in 10) gesendet. Wie in 10 dargestellt, sollten vier reflektierte Schallwellen vom Wandler 414 empfangen werden. Die vier Wellen entsprechen den Reflexionen von: der Außenfläche 700 des Rohrs (Weg 1010); der nahen Grenzfläche zwischen der Innenfläche 504 des Rohrs und dem Wasser (Weg 1012); der fernen Grenzfläche zwischen der Innenfläche 506 und dem Wasser (Weg 1014); und der fernen Außenfläche 1000 des Rohrs an der Grenzfläche zur Luft (Weg 1016). Es werden wahrscheinlich zusätzliche reflektierte Schallwellen erfasst, die aus sekundären und tertiären Reflexionen der primären Reflexionen resultieren. Die Delta-Laufzeit zwischen dem reflektierten Wellenpfad 1012 und dem Wellenpfad 1014 entspricht der Zeit t_D, die die akustische Welle benötigt, um eine Strecke von 2D zurückzulegen. In Block 1120 können die Messvorgänge zur Ermittlung von t_D wiederholt und gemittelt werden, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen (siehe 11). In Block 1122 wird ein Anfangswert für D anhand der folgenden Beziehung berechnet: D_i = V_i · (t_D/2). In einigen Ausführungsformen können auch einige der sekundären und tertiären Reflexionen bei der Berechnung eines gemittelten Wertes von 2D verwendet werden, wodurch die Genauigkeit und Robustheit des Wertes von D_i weiter erhöht wird. In Block 1124 wird D_i als Startwert (seed) für den Innendurchmesser verwendet.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Genauigkeit des Startwerts D, durch den in 12 dargestellten Prozess weiter verbessert werden. In Block 1210 kann mit Hilfe von Temperatursensoren (z.B. Sensor(en) 324 in 2) die Rohrtemperatur und/oder die Umgebungstemperatur verfolgt werden, um Zeiträume von vorbestimmter Dauer, wie z.B. eine Stunde oder mehr, zu identifizieren, in denen die Rohr- oder Umgebungstemperatur stabil ist. In einigen Ausführungsformen ist das Kriterium in Block 1210 eine Änderung von weniger als 2° C für 10 Minuten oder mehr. Nach einigen anderen Ausführungsformen ist das Kriterium in Block 1210 weniger als 1° C Änderung für 20 Minuten oder mehr. Nach wieder anderen Ausführungsformen ist das Kriterium in Block 1210 weniger als 0,5° C Änderung für 30 Minuten oder mehr. In Block 1212 kann die Wasserdurchflussrate in der Leitung verfolgt werden, und es können Zeiträume von angemessener Dauer, z. B. eine Stunde oder mehr, in denen kein Wasser geflossen ist, ermittelt werden. In Block 1214 werden „Messfenster“ identifiziert, wenn beide Bedingungen in den Blöcken 1210 und 1212 erfüllt sind. Während solcher Messfenster kann in Block 1216 angenommen werden, dass die Wassertemperatur sehr nahe an den Umgebungs- und/oder Rohrtemperaturen liegt. Der in den Blöcken 1110 bis 1122 in 11 beschriebene Prozess kann wiederholt werden, um einen überarbeiteten und genaueren Wert von D zu erhalten. In 12, Block 1218, kann der in den Blöcken 1210 bis 1216 beschriebene Prozess mehrmals oder fortlaufend wiederholt werden, um die Genauigkeit der Berechnung des Wertes D weiter zu verfeinern und die langfristigen Alterungseffekte des Rohrs zu überwachen.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird nun ein Verfahren zur Berechnung einer genauen Bestimmung von L näher beschrieben. Wie oben beschrieben, ist es für einen externen Ultraschall-Durchflussmesser eine große Herausforderung, einen genauen Wert für die von den akustischen Wellen in einem Fluid in einem Rohr zurückgelegte Strecke L zu ermitteln, da L mit der Fluidtemperatur variiert und vom Rohrmedium sowie von der genauen Rohrwandstärke und dem Rohrinnendurchmesser D abhängt. Durch das beschriebene Verfahren sind wir in der Lage, den Wert von L für eine bestimmte Durchflussmesserinstallation an einem bestimmten Rohr genau zu bestimmen sowie den Wert von L zu erfassen, der sich im Laufe der Zeit dynamisch verändert, und zwar auf der Grundlage von Änderungen der Flüssigkeitstemperatur, auch während Durchflussereignissen, und Änderungen der Rohrbedingungen. Unter Berücksichtigung der Beziehung: L = (t_L / t_D) · D, können genaue Werte von t_D und D aus dem in den Die 10-12. Als Nächstes wird ein genauer Wert von t_L durch ein Verfahren berechnet, das von der unten beschriebenen spezifischen Konfiguration der piezoelektrischen Wandleranordnung abhängen kann. Dieser Wert von L kann für die genauen Momentanberechnungen von V verwendet werden, da dieser Wert von L die relevanten Parameterschwankungen erfasst, die mit der spezifischen Installation des Durchflussmessers verbunden sind, sowie die Schwankungen aufgrund der Wassertemperatur zum Zeitpunkt jeder Delta-Laufzeitmessung.
Bei einer V-Prall-Piezokonfiguration können wir t_L bestimmen, indem wir zunächst t₀ messen, die Laufzeit („time of flight“, ToF), die in stromaufwärts und stromabwärts gerichteter Richtung durch die an jedem Ende der Baugruppe positionierten Wandler gemessen wird (z. B. Wandler 410 oder 412, die in den 4A-C, 5, 7 und 10 gezeigt sind). t₀ umfasst t_L plus die Zeit, die die akustischen Wellen durch etwaige Kopplungsmedien, die Rohrwände und Verzögerungen im Zusammenhang mit der elektronischen Schaltung durchlaufen. Als Nächstes wird t_S gemessen: die Laufzeit, die mit den akustischen Wellen verbunden ist, die die obere Rohrwandoberfläche (direkt unter den piezoelektrischen Wandlern) in stromaufwärts und stromabwärts gerichteter Richtung durchlaufen (z. B. die in 7 dargestellten Wellenwege 710 und 712). Bei den in der Industrie üblichen Delta-Laufzeitmessungen mit Ultraschall wird diese akustische Oberflächenwelle t_S normalerweise nicht gemessen und/oder verworfen oder herausgefiltert, da sie typischerweise als Rauschen betrachtet wird und für die Berechnung von Informationen über den Flüssigkeitsstrom nicht nützlich ist. Der gemittelte Wert t_S kann jedoch zur Ableitung eines Wertes für t_L mit t_L = t₀ - t_S oder alternativ t_L = t₀ - (a · t_S - b) verwendet werden, wobei „a“ ein Skalierungsfaktor ist, der werkseitig eingestellt oder während des Selbstkalibrierungsprozesses dynamisch bestimmt werden kann, und „b“ ein konstanter Versatz ist, der ebenfalls werkseitig eingestellt oder während des Selbstkalibrierungsprozesses dynamisch bestimmt werden kann. Der Wert von L = (t_L/t_D) · D kann nun berechnet werden. Da t_D die Schwankungen der Laufzeit im Wasser erfasst, die sich aus den Temperaturschwankungen des fließenden Wassers ergeben, kann der oben berechnete Wert von L bei den einzelnen Ultraschall-Durchflussmessungen in Echtzeit um die Auswirkungen der Wassertemperaturschwankungen kompensiert werden. Der Winkel der in das Wasser einfallenden Schallwelle, θ, kann bei Bedarf auf der Grundlage der genauen Werte von D und L berechnet werden. In mehreren Ausführungsformen kann die Gleichung für V, die Geschwindigkeit der Schallwelle im Wasser, so geändert werden, dass der Parameter θ nicht berücksichtigt wird, da θ eine von D und L abhängige Variable ist und ersetzt werden kann.
Bei einer W-Prall-Piezokonfiguration können Laufzeitmessungen in stromaufwärts und stromabwärts gerichteter Richtung in einer DreiPiezokonfiguration durchgeführt werden. Die Messungen können Folgendes ergeben: t₁, eine durchschnittliche Laufzeit von einem End-Piezo (z. B. Wandler 410 oder 412, dargestellt in 4A-C, 5, 7 und 10) zum mittleren Piezo (z. B. Wandler 414, dargestellt in denselben Abbildungen) in jeder Richtung; und t₀:

durchschnittliche Laufzeit in der stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Richtung durch die an jedem Ende der Anordnung positionierten Wandler (z. B. Wandler 410 oder 412). t_L = 2 · (t₀ - t₁) kann dann gemessen werden. Der Wert von t_L kann dann ermittelt werden, um L = (t_L/t_D) · D zu erhalten. Da t_D die Schwankungen der Laufzeit im Wasser erfasst, die das Ergebnis von Temperaturschwankungen des fließenden Wassers sind, wird der oben berechnete Wert von L dann für die Wirkung von Wassertemperaturschwankungen kompensiert. Der Winkel der in das Wasser einfallenden Schallwelle, θ, kann bei Bedarf auf der Grundlage der genauen Werte von D und L berechnet werden. Alternativ kann die Gleichung für V, die Geschwindigkeit der Schallwelle im Wasser, geändert werden, um den Parameter θ auszuschließen, da θ eine von D und L abhängige Variable ist und ersetzt werden kann.

Man beachte, dass in der Diskussion über die Berechnung einer genauen Bestimmung von L sowohl für die V-Prall- als auch für die W-Prall-Diskussion (siehe oben) die Messung von t_D durch den vertikal ausgerichteten Wandler bei der Berechnung von L gleichzeitig mit den Messungen durch die End-Piezos (z. B. Wandler 410 oder 412) durchgeführt werden sollte, wie z. B. für die Messung von t₀ und/oder t₁, so dass die gleichen Strömungs- und Temperaturbedingungen in der Beziehung L = (t_L / t_D) · D angenommen werden können. Im Allgemeinen führt eine zeitliche Annäherung der Messungen (mit dem vertikal ausgerichteten Wandler 414 und den Endwandlern 410 und 412) zu einer höheren Genauigkeit, da die Auswirkungen möglicher Temperaturunterschiede zwischen den verschiedenen Messungen des strömenden Mediums minimiert werden. In einigen Ausführungsformen werden die Messungen mit dem vertikal ausgerichteten Wandler 414 und die Messungen mit den Endwandlern 410 und 412 innerhalb von 10 Sekunden nacheinander durchgeführt. In einigen anderen Ausführungsformen werden die Messungen mit dem vertikal ausgerichteten Wandler 414 und die Messungen mit den Endwandlern 410 und 412 innerhalb von 1 Sekunde durchgeführt. In einigen anderen Ausführungsformen werden die Messungen mit dem vertikal ausgerichteten Wandler 414 und die Messungen mit den Endwandlern 410 und 412 innerhalb von 100 ms (0,1 Sekunde) durchgeführt. In einigen anderen Ausführungsformen werden die Messungen mit dem vertikal ausgerichteten Wandler 414 und die Messungen mit den Endwandlern 410 und 412 im Abstand von 1 ms durchgeführt.
Andere Verarbeitungstechniken (z. B. Kompensationsprozesse, Kalibrierungsprozesse und/oder Berechnungsprozesse) und andere Hardware- und/oder Gerätekonfigurationen (z. B. Piezokonfigurationen) können allein oder in Kombination miteinander verwendet werden, je nach den Erfordernissen spezifischer Anwendungen in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Solche Verfahren können in Systemen wie dem angeschlossenen Messsystem von 2 (aber nicht darauf beschränkt) und in Durchflussmessern einschließlich des angeschlossenen externen Durchflussmessers von 3 (aber nicht darauf beschränkt) verwendet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Prozess zur Erkennung von Durchflussmesserereignissen aus Gründen des Stromverbrauchs und aus anderen Gründen Folgendes umfassen: (1) Verwendung signifikanter Änderungen der Standardabweichung der letzten Delta-ToF-Zeitreihenwerte. Die Standardabweichung einer Gruppe von Delta-ToF-Werten, z. B. der letzten 10, 20 oder 30, wird berechnet und als Zeitreihe tabellarisch dargestellt, oder alternativ die Standardabweichung des laufenden Durchschnitts solcher Delta-ToF-Zeitreihen. Der Beginn und möglicherweise das Ende von Wasserflussereignissen können durch signifikante Impulse in der Zeitreihe der Standardabweichung gekennzeichnet werden. Da Wasser nur während eines kleinen Teils der 24 Stunden eines Tages fließt, kann die Kenntnis des genauen Beginns und Endes von Wasserdurchflussereignissen die Betriebseffizienz des angeschlossenen externen Durchflussmessers in Bezug auf Berechnungen, Datenverarbeitung und Wasserdurchflussberechnungen steigern und den Stromverbrauch erheblich senken.
13 ist ein Blockdiagramm, das weitere Aspekte eines angeschlossenen externen Durchflussmessers zur Überwachung, Verwaltung und Optimierung des Wasserverbrauchs gemäß einigen Ausführungsformen zeigt. Das Diagramm ähnelt 3, zeigt aber weitere Details von Beispielkomponenten und Verbindungen, die insbesondere für die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 verwendet werden könnten. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 so ausgelegt, dass er mehrere Jahre lang ohne Aufladen mit Batterien betrieben werden kann. Um dies zu erreichen, kann der Durchflussmesser 220 Energieverwaltungstechniken verwenden, die den Stromverbrauch reduzieren. Nach Beendigung des Herstellungsprozesses geht der Durchflussmesser 220 in einen Zustand niedriger Leistungsaufnahme über und sendet und versucht in einer vorgegebenen, unregelmäßigen Frequenz, Ultraschallimpulse über die Piezo-Baugruppe 322 zu empfangen. Dies wird so lange fortgesetzt, bis eine Oberflächenwelle, t_s, wie in 7 gezeigt, zwischen den beiden Durchflusswandlern (z. B. den in den 4A-C gezeigten Wandlern 410 und 412) erfasst wird, die anzeigt, dass ein Durchflussmesser 220 zunächst an einem Rohr angebracht wird. Gemäß einigen Ausführungsformen könnte das auslösende Ereignis die Erkennung eines stromaufwärts und/oder stromabwärts gerichteten ToF-Signals sein. In diesem Zustand vor der Installation wird das Zellmodul 1360 auch vollständig von der Stromversorgung getrennt, um Leistungsverluste aufgrund von Leckagen in der Ruhephase zu vermeiden, die bei Halbleitern auftreten. Nach dem Erkennen einer Verbindung zu einem mit Medium gefüllten Rohr lässt der Durchflussmesser 220 den Prozessor 1340 nach dem Einleiten einer Durchflussmesssequenz periodisch in den Ruhezustand übergehen und entweder durch die interne Echtzeituhr des Prozessors oder durch eine Unterbrechung vom Zeitmessungsprozessor 1310 wieder aufwecken. Ein Empfangswegschalter 1330 ermöglicht es den Empfangswegen, die kaskadierten LNAs 1320 und 1322 gemeinsam zu nutzen, anstatt kaskadierte LNAs zu benötigen, die jedem der drei Ultraschall-Empfangswege von der Piezo-Baugruppe 322 zugeordnet sind, was den Energieverbrauch weiter reduziert. Der angeschlossene externe Durchflussmesser 220 akkumuliert typischerweise die vom Sensor erfassten Durchflussereignisdaten zur Übertragung durch das Mobilfunkmodul 1360 an den Server 240 (dargestellt in den und ) nicht häufiger als einmal pro Tag, es sei denn, ein Ereignis, das eine schnellere Benachrichtigung erfordert, wie z. B. ein größeres Leck, wird erfasst, und nach Abschluss jeder drahtlosen Datensitzung kann die Stromversorgung des Mobilfunkmoduls 1360 wieder vollständig unterbrochen werden. Wenn Datenübertragungen häufiger als einmal pro Tag erforderlich sind, kann das Mobilfunkmodul 1360 in den LTE-CAT-M-Energiesparmodus (PSM) versetzt und kontinuierlich von der Batterie 336 mit Strom versorgt werden, was keine erneute Registrierung vor jeder Datenübertragung erfordert und energieeffizienter ist als das erneute Einschalten des Mobilfunkmoduls 1360 für die häufigeren Übertragungen. Die Datenkomprimierung durch die Anwendung 313 (in 3 dargestellt) reduziert die Datenmenge und damit die Übertragungszeit an den Server 240, was den Stromverbrauch verringert. Der Prozessor 1340 variiert auch dynamisch die Häufigkeit der Ultraschallmessungen durch den Ultraschall-Controller 1312, wobei die Häufigkeit der Messungen erhöht wird, wenn Durchflussdaten mit höherer Auflösung gewünscht sind, und die Häufigkeit der Messungen zwischen erkannten Durchflussereignissen verringert wird, um den Stromverbrauch zu senken. Die Klassifizierung von Durchflussdaten in bestimmte Wasserverbrauchsgerätetypen kann energieintensiv sein und außerhalb des angeschlossenen externen Durchflussmessers 220 in der Anwendung für maschinelles Lernen und Nutzungsklassifizierung 914 auf dem Server 240 durchgeführt werden. Die digitale Anzeige 338 kann optional weggelassen werden, um weiter Batteriestrom zu sparen, vorausgesetzt, dass alternative Anzeigen 928 auf dem Server 240 (in 9 dargestellt) oder die Mess- und Abrechnungsanwendung 912 auf dem Server 240 für den Anwendungsfall ausreichend sind.
In einigen Ausführungsformen kann eine Teilmenge der im Beispiel von 13 gezeigten Komponenten im Durchflussmesser 220 enthalten sein. In einigen Ausführungsformen kann das Messgerät 220 die Piezo-Baugruppe 322 und die elektronische Schaltungsbaugruppe 330 enthalten, während die Batterie 336 weggelassen wird. Die elektronische Schaltungsbaugruppe könnte einen Prozessor 332, einen Zeitmessungsprozessor 1310, eine Ultraschallsteuerung 1312, einen Prozessor 1340, ein zellulares Modul 1360 und Gate-Treiber 1332 enthalten, während der Temperatursensor 324, die LNAs 1320 und 1322, der Schalter 1330 und die Digitalanzeige 338 weggelassen werden. In einigen Ausführungsformen kann der Durchflussmesser zusätzlich eine Batterie 336 und die Baugruppe 330 zusätzlich entweder einen LNA 1320 oder 1322 sowie einen oder mehrere Temperatursensoren 324 enthalten.

Claims

Ultraschall-Durchflussmesser, umfassend: eine Trägerbaugruppe, die dazu eingerichtet ist, außen an einem Rohr angebracht zu werden, um den Durchfluss in einer Durchflussrichtung zu messen; einen ersten Ultraschallwandler, der in einem schrägen Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; und einen zweiten Ultraschallwandler, der in einem schrägen Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; einen dritten Ultraschallwandler, der im rechten Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; einen Speicher, der dazu eingerichtet ist, Sensordaten und eine oder mehrere Anwendungen zu speichern; mindestens einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, mit dem ersten, zweiten und dritten Ultraschallwandler zu kommunizieren und zu Folgendem in der Lage ist: Veranlassen des dritten Ultraschallwandlers, einen Ultraschallimpuls zu senden; Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer ersten Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die erste Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls: i) sich durch eine nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat, ii) sich durch ein Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat, iii) von einer Grenzfläche zwischen dem Medium und einer fernseitigen Wand reflektiert wurde, iv) sich zurück durch das Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat; und v) sich zurück durch die nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat; Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer weiteren Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die weitere Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls mindestens ein zweites Mal von der Grenzfläche zwischen dem Medium und der fernseitigen Wand reflektiert wurde; Ermitteln einer Rohrquerschnittsfläche auf Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der ersten Reflexion und dem Empfang der weiteren Reflexion durch den dritten Ultraschallwandler; Berechnen einer Durchflussrate für das Medium auf Grundlage von Laufzeitmessungen zwischen dem ersten und zweiten Ultraschallwandler und der ermittelten Rohrquerschnittsfläche.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, den Durchfluss des Mediums auf Grundlage der Laufzeitmessungen zu berechnen, indem er eine Temperaturkompensation durchführt, die zumindest teilweise auf einer oder mehreren Laufzeitmessungen basiert, die mit dem genannten dritten Wandler durchgeführt und im Speicher abgelegt wurden.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei die von dem mindestens einen Prozessor durchgeführte Temperaturkompensation bei der Berechnung der Durchflussrate des Mediums die Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums beseitigt.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, den dritten Wandler zu veranlassen, den Ultraschallimpuls zu senden, wenn das Medium nicht durch das Rohr fließt.
Durchflussmesser nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, den dritten Wandler zu veranlassen, den Ultraschallimpuls gleichzeitig mit den zwischen dem ersten und zweiten Wandler durchgeführten Laufzeitmessungen zu senden.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei das Medium Wasser ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei der erste, zweite und dritte Ultraschallwandler piezoelektrische Sender-Empfänger sind.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Durchflussrate für das Medium auf Grundlage der zwischen dem ersten und zweiten Ultraschallwandler durchgeführten Laufzeitmessungen umfasst, eine Differenz in der Ausbreitungszeit von in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung übertragenen Ultraschallwellen zu messen.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Prozessor ferner eine oder mehrere Selbstkalibrierungsverfahren durchführt, wenn er auf dem Rohr angebracht ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 9, wobei das eine oder die mehreren Selbstkalibrierungsverfahren das Kompensieren von Abweichungen in der Laufzeitmessung für Ultraschallwellen umfassen, die sich in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung zu Zeiten ausbreiten, in denen das Medium im Rohr vorhanden ist und nicht fließt.
Durchflussmesser nach Anspruch 9, wobei eines der einen oder mehreren Selbstkalibrierungsverfahren das Erfassen von akustischen Ultraschallwellen, die sich entlang einer Außenfläche des Rohrs ausbreiten, und daraus das Erzeugen eines oder mehrerer Kalibrierungsfaktoren zum Berechnen einer Entfernung, die eine akustische Ultraschallwelle in dem Medium zurücklegt, umfasst.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Temperatursensoren, die an der Trägerbaugruppe angebracht und dazu eingerichtet sind, mit dem Rohr gekoppelt zu werden, wenn die Trägerbaugruppe außen an dem Rohr angebracht ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, zumindest das Vorhandensein oder das Fehlen von akustischen Ultraschallwellen, die sich entlang einer Außenfläche des Rohrs ausbreiten, zu erkennen.
Durchflussmesser nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, Manipulationen zumindest teilweise basierend auf dem Erkennen eines Fehlens von akustischen Ultraschallwellen, die sich entlang einer Außenfläche des Rohrs ausbreiten, zu erkennen.
Durchflussmesser nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Prozessor ferner in der Lage ist, als Reaktion auf das Erkennen des Fehlens von akustischen Ultraschallwellen, die sich entlang einer Außenfläche des Rohrs ausbreiten, in einen Zustand niedriger Leistung einzutreten.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine von der Trägerbaugruppe entfernte Anzeigevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Informationen anzuzeigen, die zumindest teilweise auf der berechneten Durchflussrate für das Medium basieren.
Durchflussmesser nach Anspruch 16, wobei die Anzeigevorrichtung ein mobiles Mehrzweck-Computergerät ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, wobei die Trägerbaugruppe dazu eingerichtet ist, derart außen an dem Rohr angebracht zu werden, dass der erste, zweite und dritte Ultraschallwandler sich in einer festen Position in Bezug auf eine Außenfläche des Rohrs befinden und Ultraschallwellen an diese senden und von dieser empfangen können.
Durchflussmesser nach Anspruch 18, ferner umfassend einen Klemmmechanismus, der dazu eingerichtet ist, die Trägerbaugruppe sicher an der Außenfläche des Rohrs zu halten.
Durchflussmesser nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Batteriemodul, das in der Lage ist, den mindestens einen Prozessor über längere Zeiträume ohne andere Energiequellen mit Strom zu versorgen.
Ultraschall-Durchflussmesssystem, umfassend: einen Durchflussmesser, umfassend: eine Trägerbaugruppe, die dazu eingerichtet ist, außen an einem Rohr angebracht zu werden, um den Durchfluss in einer Durchflussrichtung zu messen; einen ersten piezoelektrischen Ultraschall-Sendeempfänger, der in einem schrägen Winkel relativ zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; und einen zweiten piezoelektrischen Ultraschall-Sendeempfänger, der in einem schrägen Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; einen dritten piezoelektrischen Ultraschall-Sendeempfänger, der in einem rechten Winkel zur Strömungsrichtung an der Trägerbaugruppe angebracht ist; einen Klemmmechanismus, der dazu eingerichtet ist, die Trägerbaugruppe sicher an der Außenfläche des Rohrs zu halten, so dass die Trägerbaugruppe den ersten, zweiten und dritten Ultraschall-Sendeempfänger in Bezug auf das Rohr in einer festen Position platziert und dazu eingerichtet sind, Ultraschallwellen zu und von einer Außenfläche des Rohrs zu senden und zu empfangen; und einen Speicher, der zum Speichern von Sensordaten und einer oder mehrerer Anwendungen konfiguriert ist; mindestens einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, mit dem ersten, zweiten und dritten Ultraschallwandler zu kommunizieren und zu Folgendem in der Lage ist: Veranlassen des dritten Ultraschallwandlers, einen Ultraschallimpuls zu senden; Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer ersten Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die erste Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls: i) sich durch eine nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat, ii) sich durch ein Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat, iii) von einer Grenzfläche zwischen dem Medium und einer fernseitigen Wand reflektiert wurde, iv) sich zurück durch das Medium innerhalb des Rohrs ausgebreitet hat; und v) sich zurück durch die nahseitige Wand des Rohrs ausgebreitet hat; Empfangen eines Signals von dem dritten Ultraschallwandler, das den Empfang einer weiteren Reflexion des Ultraschallimpulses anzeigt, wobei die weitere Reflexion empfangen wird, nachdem der Ultraschallimpuls mindestens ein zweites Mal von der Grenzfläche zwischen dem Medium und der fernseitigen Wand reflektiert wurde; Ermitteln einer Rohrquerschnittsfläche auf Grundlage einer Zeitdifferenz zwischen dem Empfang der ersten Reflexion und dem Empfang der weiteren Reflexion durch den dritten Ultraschallwandler; Berechnen einer Durchflussrate für das Medium auf Grundlage von Laufzeitmessungen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ultraschall-Sendeempfänger durchgeführt werden, und der ermittelten Rohrquerschnittsfläche, indem daraus ein Unterschied in der Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen bestimmt wird, wenn diese in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung übertragen werden; ein Batteriemodul, das in der Lage ist, den mindestens einen Prozessor und den Speicher mit Strom zu versorgen; einen Server, der sich an einem vom Durchflussmesser entfernten Ort befindet, wobei der Server in drahtloser Verbindung mit dem Durchflussmesser steht und ein Speichersystem aufweist, das dazu eingerichtet ist, Informationen auf Grundlage der vom Durchflussmesser gemessenen Durchflussraten zu speichern; und eine Anzeigevorrichtung auf einem mobilen Mehrzweck-Rechengerät an einem vom Durchflussmesser entfernten Ort, wobei das mobile Mehrzweck-Rechengerät dazu eingerichtet ist, Informationen auf Grundlage der berechneten Durchflussrate für das Medium anzuzeigen.