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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Durchflussrate einer fließenden Flüssigkeit in einem Kanalsystem, umfassend mindestens ein akustisches Messgerät zur Messung von Schallwellen, die von der Flüssigkeit ausgehen, Mittel zur Datenübertragung und Mittel zur Datenauswertung, die die gemessenen Schallwellen auswerten und die Durchflussrate bestimmen. Besondere Bedeutung hat die Erfindung für Abwasserkanalsysteme, insbesondere Mischsysteme, die Abwasser und Regenwasser aufnehmen.
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Für Betreiber von Kanalsystemen ist es wichtig, Informationen über die jeweilige Auslastung des Systems möglichst zeitnah zu erhalten. Nur so ist es möglich, die Verteilung des Abwassers in dem Kanalsystem gezielt zu steuern und Überlastungen einzelner Abschnitte zu verhindern. Die gezielte Verteilung des Abwassers in dem Kanalsystem führt auch dazu, dass weniger häufig ungereinigte Abwässer in die Entlastungssysteme, wie beispielsweise Bäche und andere natürliche Gewässer, eingeleitet werden müssen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, mit deren Hilfe sich die Flüssigkeitsmenge in einem Kanal- bzw. Rohrsystem anhand des Füllstandes und der Fließgeschwindigkeit des Mediums bestimmen lässt. Die meisten dieser Vorrichtungen verwenden zur Bestimmung dieser Parameter Ultraschallsensoren, Abstandssensoren oder auch Feuchtigkeitssensoren. Beispielsweise können Ultraschallwellen auf das zu messende Medium gelenkt und die Laufzeit sowie die Ablenkung durch das zu messende Medium von einem Empfänger detektiert werden. Auf diese Weise ergeben sich Daten zur Bestimmung der Durchflussmenge und -geschwindigkeit.
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Die entsprechenden Sensoren und entsprechenden Systeme sind häufig teuer in der Anschaffung und können in aller Regel betriebswirtschaftlich sinnvoll nicht dauerhaft in dem zu überwachenden System installiert bleiben. Vielmehr werden entsprechende Daten nur turnusmäßig durch modellhafte Messkampagnen erhoben. Auch diese Kampagnen sind in der Durchführung teuer und erlauben zudem keine kurzfristigen Reaktionen auf einen erhöhten Abfluss durch Änderungen der Verteilung des Abwassers in dem jeweiligen System, sondern dienen vielmehr der langfristigen Planung.
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Weitere bekannte Vorrichtungen betreffen zudem Rohrsysteme bzw. Druckwasserleitungen und keine Abwasserkanäle. Sie dienen dort vorrangig zur Erkennung von Leckagen in diesen Systemen. Die entsprechenden Sensoren sind direkt an der Außenseite der Rohre angebracht und messen an verschiedenen Stellen die von den Rohren übertragenen Geräusche des durchfließenden Mediums. Alternativ sehen solche Vorrichtungen Durchflusssensoren vor, die direkt innerhalb der Rohre installiert werden.
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Eine Unterscheidung zwischen den Begriffen Kanalsystem und Rohrsystem bzw. zwischen Kanälen und Rohren ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere als Dimensionsangabe der entsprechenden Ableitungen oder Transportleitungen für Medien zu verstehen. So soll durch die Verwendung solcher Begriffe wie „Kanal“ und „Kanalsysteme“ eine Dimension gemeint sein, die eine nahezu vollständige Ausfüllung zumindest eines Teils der Ab- oder auch Transportleitung mit dem durchfließenden Medium nur in Ausnahmefällen vorsieht. Die Verwendung solcher Begriffe wie „Rohr“ bzw. „Rohrsystem“ hingegen meint eine Dimension, die eine nahezu vollständige Ausfüllung zumindest eines Teils der Ab- oder auch Transportleitung mit dem durchfließenden Medium als Regelfall vorsieht, so wie beispielsweise in Gebäudeinstallationen oder Druckleitungen.
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Sofern vorbekannte Vorrichtungen zum Einsatz in Kanalsystemen vorgesehen sind, dienen diese vor allem dazu, eine konkrete Überlastung der Kanäle anzuzeigen, beispielsweise indem ein Signal beim Überschreiten eines bestimmten Flüssigkeitspegels in dem Kanal ausgelöst wird. Die hierzu eingesetzten Sensoren lösen entsprechend entweder durch die Berührung mit dem Medium, sobald es einen bestimmten Pegel erreicht hat, ein Signal aus oder messen beispielsweise durch Ultraschall oder mittels Laser den Pegelstand des Mediums in dem Kanal.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die vorbekannten Vorrichtungen teuer in der Anschaffung sind und somit nur für turnusmäßige Messungen zur Verfügung stehen. Auch erfordern bekannte Systeme für Rohrleitungen eine in Abwasserkanälen häufig nicht mögliche Montage der Sensoren an der Rohrleitung. Auch sind die für Rohrleitungen geeigneten Sensoren nicht für Kanäle geeignet, da durch diese Sensoren der Körperschall der Rohre und nicht der von der den Kanal durchströmenden Flüssigkeit ausgehende Schall detektierbar ist.
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Nachteilig an den bekannten Systemen ist auch, dass diese, sofern sie in dem Medium platziert werden müssen, anfällig für Störungen durch Verunreinigungen des Wassers sind. Dies trifft insbesondere auf Sensoren in Abwasserkanalsystemen und Mischsystemen zu, bei denen also über ein Kanalnetz sowohl Abwasser als auch Regenwasser abgeleitet werden und die häufig Verunreinigungen mit sich führen.
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Zudem stellt die Platzierung der Sensoren im Medium dann besondere Anforderungen an die zu verwendenden Materialien, wenn das Medium höhere Temperaturen und/oder größere Temperaturschwankungen aufweist und so die Sensoren oder sonstige Komponenten beschädigen kann. Das Gleiche gilt beispielsweise auch für den Fall, dass das Medium chemisch aggressive Stoffe umfasst, die die eingebrachten Sensoren oder sonstige Komponenten beschädigen können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung zur Durchflussmessung in Kanalsystemen zur Verfügung zu stellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach in vorhandenen Kanalsystemen zu montieren ist. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die unempfindlich gegenüber Verunreinigungen des Mediums ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Durchflussrate einer fließenden Flüssigkeit in einem Kanalsystem, umfassend mindestens ein akustisches Messgerät zur Messung von Schallwellen, die von der Flüssigkeit ausgehen, Mittel zur Datenübertragung und Mittel zur Datenauswertung, die die gemessenen Schallwellen auswerten und die Durchflussrate bestimmen, wobei das akustische Messgerät in einem Zugangsschicht zum Kanalsystem platziert ist und keinen dauerhaften Kontakt mit der Flüssigkeit hat. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale auch in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und somit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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Der grundsätzliche Erfindungsgedanke betrifft eine Vorrichtung zur akustischen Durchflussmessung, die eine Messung des Durchflusses einer Flüssigkeit in einem Kanalsystem, beispielsweise von Abwasser in Abwasserkanälen, über die von der Flüssigkeit selbst verursachten Geräusche ermöglicht, also durch die Detektion der Schallwellen in der Luft, ohne dass das hierzu notwendige Messgerät in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit steht. Darüber hinaus steht das akustische Messgerät auch nicht in direktem Kontakt mit dem Kanal, durch den die Flüssigkeit fließt, sondern ist in einem Zugangsschacht zum Kanalsystem platziert. Dies hat den Vorteil, dass das Messgerät problemlos in bereits vorhandenen Kanalsystemen installiert und bei Bedarf gewechselt werden kann. Darüber hinaus ist das Messgerät nicht unmittelbar der Flüssigkeit ausgesetzt und wird durch diese nicht in Mitleidenschaft gezogen, was die Standzeit erheblich erhöht. Unter dem Merkmal, dass das Messgerät keinen dauerhaften Kontakt mit der Flüssigkeit hat, wird verstanden, dass es nicht dem Flüssigkeitsstrom ausgesetzt ist. Nicht auszuschließen ist hingegen im Einzelfall, dass das Messgerät z. B. bei starkem Regen temporär in Flüssigkeitskontakt kommt.
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Flüssigkeiten gemäß der Erfindung sind beispielsweise Abwasser, Kühlwasser, Prozesswasser oder Regenwasser, um nur einige zu nennen. Besondere Bedeutung hat die Erfindung für Mischsysteme, bei denen Abwasser und Niederschlagswasser in einem gemeinsamen Kanalsystem abgeleitet werden, da sich hier aufgrund von Niederschlägen signifikante Änderungen im Durchfluss ergeben können.
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Die Durchflussrate setzt sich letztlich aus mehreren Parametern zusammen, nämlich zum einen der Durchflussgeschwindigkeit, zum anderen dem Querschnitt des Kanals im jeweiligen Abschnitt und dem Füllstand. Vorteilhafterweise verfügen die Mittel zur Datenauswertung über Vorabinformationen, um die gemessenen Daten sinnvoll auswerten zu können, beispielsweise über Informationen zum jeweiligen Durchmesser/Querschnitt des Kanalabschnitts. Ggf. kann der Füllstand zusätzlich über ein gesondertes Messgerät ermittelt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise in der Lage, mit den gemessenen Daten sowie ggf. zusätzlichen vorliegenden Informationen über Art und Beschaffenheit des Kanalsystems die absolute Durchflussrate zu bestimmen, d. h. nicht lediglich Änderungen beim Durchfluss zu detektieren, sondern die konkrete Menge an den jeweiligen Abschnitt des Kanalsystems durchströmender Flüssigkeit zu ermitteln.
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Das akustische Messgerät umfasst vorzugsweise ein Mikrofon. Die Art des Mikrofons wählt der Fachmann entsprechend dem jeweiligen Einsatz aus.
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Die Stromversorgung der Vorrichtung erfolgt zweckmäßigerweise über eine Batterie oder einen Akku, es ist jedoch auch eine andere Stromversorgung, beispielsweise eine netzgebundene Stromversorgung denkbar. Eine netzungebundene Stromversorgung hat jedoch den Vorteil, dass die Vorrichtung installiert werden kann, ohne entsprechende Anschlüsse erzeugen zu müssen.
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Um die Standzeit ohne Austausch einer Batterie oder eines Akkus zu erhöhen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so eingestellt sein, dass die akustische Messung nicht kontinuierlich, sondern in gewissen zeitlichen Abständen erfolgt. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so beschaffen, dass die Frequenz der Messungen erhöht wird, wenn sich im Kanalsystem Änderungen ergeben. Auf diese Weise wird einerseits Strom gespart, andererseits wird in Situationen, in denen eine hohe Dichte an Daten benötigt wird, beispielsweise bei einsetzendem Starkregen, eine entsprechend hohe Dichte an Daten zur Verfügung gestellt. In der Vorrichtung kann z. B. vorgesehen sein, dass im Normalbetrieb lediglich alle 5 bis 10 min eine akustische Messung durchgeführt wird, bei Änderungen im Strömungsverhalten jedoch auf akustische Messungen mit einem zeitlichen Abstand von unter 1 min umgestellt wird.
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Die Mittel zur Datenübertragung sind vorzugsweise kabellos. Hier bieten sich Übertragungen über Funk- oder Mobilfunknetze an. Über kurze Distanzen können die Daten auch beispielsweise über andere bekannte Mittel der Datenübertragung transferiert werden wie Wi-Fi, Bluetooth, Infrarot usw. Insbesondere bei Übertragung der Daten zunächst über eine kurze Distanz, können zusätzliche Mittel zur weiteren Datenübertragung, beispielsweise über ein Mobilfunknetz, außerhalb des Kanalsystems und des Zugangsschachts platziert sein, d. h. Daten werden zunächst vom akustischen Messgerät bzw. den Mitteln zur Datenauswertung innerhalb des Zugangsschachts zu den zusätzlichen Mitteln zur weiteren Datenübertragung außerhalb des Zugangsschachts übertragen und von dort weiter gesendet, z. B. an eine Leitstelle, an der die Daten von an verschiedenen Stellen des Kanalnetzes installierten erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusammenlaufen. Grundsätzlich ist jedoch auch eine kabelgebundene Datenübertragung möglich.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können auch mit Datenspeicherelementen ausgestattet sein. Dies ermöglicht bei turnusmäßigen Überprüfungen der Vorrichtungen eine systematische Auswertung der ermittelten Daten.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können auch jeweils mehrere akustische Messgeräte umfassen. Die einzelnen Messgeräte können in einem Netzwerk zumindest teilweise untereinander verbunden oder als autarke Einheiten vorgesehen sein, wobei jedoch die ermittelten Daten an die gemeinsamen Mittel zur Datenauswertung übertragen werden.
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Sinnvoll ist darüber hinaus eine Vernetzung einer Mehrzahl an erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Auf diese Weise kann ein System geschaffen werden, dass die Durchflussrate an verschiedenen Stellen eines Kanalsystems bestimmt, um auf diese Weise ein Gesamtbild der Belastung des Kanalsystems zu schaffen, das es erlaubt, Entscheidungen über eine möglicherweise notwendige Umleitung von Flüssigkeitsströmen zu treffen. Bei Starkregenereignissen kann es beispielsweise sinnvoll sein, Wasser aus bestimmten, stark beanspruchten Teilen des Kanalsystems in andere, weniger stark beanspruchte Bereiche umzuleiten, um eine Gesamtüberlastung zu vermeiden. Darüber hinaus kann auf diese Weise u. U. auf die Nutzung sonstiger Entlastungssysteme verzichtet werden. Hierbei handelt es sich typischerweise um natürliche Gewässer, bei denen eine Einleitung von Abwasser unerwünscht ist und nur im Notfall erfolgen sollte. Ein System mit mehreren miteinander vernetzten Vorrichtungen zur Ermittlung der Durchflussrate ist auch insofern sinnvoll, als der Ausfall oder die Fehlmessungen einzelner Vorrichtungen durch andere Vorrichtungen kompensiert werden können.
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Sofern ein System aus einzelnen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Ermittlung der Durchflussrate geschaffen wird, können die Mittel zur Datenauswertung auch übereinstimmen, d. h. es muss nicht jede einzelne Vorrichtung über separate Mittel zur Datenauswertung verfügen, es ist auch möglich, dass zentrale Mittel zur Datenauswertung für sämtliche Vorrichtungen gemeinsam zur Verfügung stehen. Die einzelnen Vorrichtungen weisen somit zumindest jeweils ein akustisches Messgerät und Mittel zur Datenübertragung auf, die Mittel zur Datenauswertung können hingegen gemeinsam für mehrere Vorrichtungen genutzt werden. Ebenso gut ist es jedoch auch möglich, dass jede einzelne Vorrichtung über separate Mittel zur Datenauswertung verfügt und die bereits ausgewerteten Daten an eine zentrale Stelle weitergeleitet werden.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können neben den Mitteln zur Datenübertragung auch so genannte Repeater umfassen, die eine Weiterleitung von Daten anderer Vorrichtungen ermöglichen und so die Reichweite der kabellosen Datenübertragung vergrößern.
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Die Datenauswertung erfolgt über EDV-Systeme. Als Teil der Datenauswertung kann eine Autokalibrierung vorgesehen sein, so dass ein Fließzustand und/oder eine Fließzustandsänderung eindeutig durch die Vorrichtung anhand der Daten des oder der Messgeräte identifiziert wird.
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So ist es für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung entscheidend, dass die Mittel zur Datenauswertung anhand der detektierten Schallwellen bestimmte Schallmuster erkennt, die eine Zuordnung der Schallmuster zu bestimmten Durchflussereignissen ermöglichen. Es muss also detektierten Schallwellen ein Schallwellenmuster und somit dem Schallwellenmuster ein bestimmter Zustand des Durchflusses, insbesondere eine bestimmte Abflussmenge, zuzuordnen sein. Entsprechend muss das Datenverarbeitungssystem wissen bzw. lernen, welches Schallwellenmuster welchem Zustand des Durchflusses zuzuordnen ist. Ein entsprechendes Programm kann mit entsprechenden Tabellen programmiert werden oder beispielsweise auch ein eigenständiges Lernen des Systems mittels künstlicher Intelligenz, Deep Learning etc. vorsehen, wobei bspw. neuronale Netze zum Einsatz kommen können.
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Eine mögliche Fehlerquelle bei der Zuordnung von Schallwellenmustern können Störgeräusche sein, also solche Geräusche, die nicht direkt von dem Medium ausgehen, wie beispielsweise Geräusche umliegender Industrie, Straßenlärm, Fluglärm etc. Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Datenauswertung in der Lage, solche Störgeräusche aus den Schallwellenmustern herauszufiltern bzw. zu beseitigen. Entsprechende Filteralgorithmen können in Form beispielsweise von Vergleichswerten oder in einer bevorzugten Ausführungsform auch Teil des eigenständigen Lernens des Systems mittels künstlicher Intelligenz sein. Störgeräusche können auch dadurch für die Auswertung eliminiert werden, dass in einem bestimmten Frequenzband gemessen wird, welches zwar für die Bestimmung der Durchflussrate von Bedeutung ist, in dem jedoch keine Störgeräusche auftreten.
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Um die Messung der im Kanalsystem erzeugten Geräusche weiter zu verbessern, können im Kanalsystem Turbulenzkörper eingebaut werden, d. h. Körper, die an bestimmten Stellen Turbulenzen im Flüssigkeitsstrom und damit zusätzliche Geräusche erzeugen. Diese Geräusche werden in besonders charakteristischer Weise durch Änderungen im Fließverhalten beeinflusst.
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Ggf. kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich zum akustischen Messgerät weitere Messinstrumente aufweisen, die als Ergänzung oder als Back-up für den Fall vorgesehen sind, dass das akustische Messgerät ausfällt. Die auf diese Weise ermittelten Messwerte können zusätzlich ausgewertet werden, um Aussagen über die Durchflussrate treffen zu können. Beispielsweise kann es von Vorteil sein, einen Füllstandsmesser in die Vorrichtung zu integrieren, mit dem der Füllstand im jeweiligen Abschnitt des Kanalsystems bestimmt werden kann. Insbesondere kann es sich dabei um einen Füllstandsmesser auf Ultraschallbasis handeln, alternativ sind auch Füllstandsmessungen mit einem Laser oder auf Basis von Mikrowellen möglich. Die Messung des Füllstands allein ist jedoch häufig nicht aussagekräftig, weil nicht nur der Füllstand im Kanal, sondern auch die Fließgeschwindigkeit von Bedeutung ist. Ein hoher Füllstand bei gleichzeitig hoher Fließgeschwindigkeit mag noch akzeptabel sein, ein hoher Füllstand bei niedriger Fließgeschwindigkeit deutet hingegen darauf hin, dass im Kanalsystem der Durchfluss gestört ist, bspw. durch Verstopfungen und in das Kanalsystem gelangte Objekte. Gerade bei Extremwetterereignissen kommt es häufig vor, dass abgebrochene Zweige, Äste und andere Hindernisse in das Kanalsystem gelangen und dort den Durchfluss behindern.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass sie kostengünstig ist und dauerhaft in dem zu überwachenden Abwasserkanalsystem installiert werden kann. Somit ist eine andauernde Beobachtung des Durchflusses in diesem System möglich. Entsprechend kann auch auf kurzfristige Änderungen der Durchflussmenge schnell reagiert werden, beispielsweise durch entsprechende Umleitung erhöhter Durchflussmengen innerhalb des Kanalsystems.
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Weiterhin vorteilhaft ist die einfache und auch nachträglich in dem Kanalsystem mögliche Anbringung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Bestandteilen davon, insbesondere des akustischen Messgeräts und/oder der Mittel zur Datenübertragung, da diese keiner aufwendigen Befestigung bedarf, sondern einfach in einem ohnehin vorhandenen Zugangsschacht platziert, beispielsweise aufgehängt werden kann. Insbesondere kann das akustische Messgerät so im Zugangsschacht platziert werden, dass es nicht mit der Wandung des Zugangsschachts in Kontakt ist.
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Nicht zuletzt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch seine Anbringung im Zugangsschacht außerhalb des fließenden Mediums störungsunanfällig gegenüber Verschmutzungen, Temperaturen, Temperaturschwankungen und chemischen Stoffen des Mediums und stellt auch selbst kein Strömungshindernis dar.
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Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Anbringung außerhalb des fließenden Mediums jederzeit leicht zugänglich, beispielsweise bei der Wartung und bei Reparaturen.
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Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der Durchflussrate betrifft die Erfindung auch ein System, das mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Ermittlung der Durchflussrate umfasst. Sämtliche Ausführungen, die im Rahmen dieser Erfindung gemacht wurden, gelten sinngemäß für alle Ausgestaltungen der Erfindung, sei es die Vorrichtung oder das System aus mehreren Vorrichtungen.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsvariante beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
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Es zeigt:
- 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 wird die Ermittlung der Durchflussrate mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es liegt ein Kanalsystem 1 vor, das von einer Flüssigkeit 4 in Pfeilrichtung durchströmt wird, wobei die Durchflussrate der Flüssigkeit 4 ermittelt werden soll. Das Kanalsystem verfügt über einen Zugangsschacht 3. In diesem ist ein akustisches Messgerät 2 aufgehängt, das an Mittel zur Datenübertragung 6 gekoppelt ist. Das akustische Messgerät 2 misst die Geräusche auf, die durch die Flüssigkeit 4 erzeugt werden, welche das Kanalsystem 1 durchströmt. Die ermittelten akustischen Signale werden von den Mitteln zur Datenübertragung 6 auf die hier außerhalb des Zugangsschachts dargestellten Mittel zur Datenauswertung 5 weitergeleitet. Durch diese erfolgt sodann eine Auswertung der akustischen Signale und eine Bestimmung der Durchflussrate.
