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Die Erfindung betrifft einen smarten energieautarken femauslesbaren Wasserzähler mit Steuerventil.
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Dieses Gerät überwacht, steuert, zeichnet den Wasserverbrauch auf und informiert über den Wasserverbrauch, mit dem Ziel beim Anwender ein besseres Bewusstsein über den aktuellen Konsum zu erzeugen.
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Der aktuelle Stand der Technik kennt verschiedene Geräte und Messgeräte, die den Wasserverbrauch messen, auswerten und anzeigen können.
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Der aktuelle Stand der Technik kennt auch Anwendungen bzw. grafische Benutzerinterfaces, um den Wasserverbrauch darzustellen.
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Diese Systeme sind ebenso in der Lage den Wasserbrauch in einen Geldbetrag umzurechnen und anzuzeigen.
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Der aktuelle Stand der Technik kennt Geräte, welche Leitungsschäden, und oder andere Leckagen am Wasserleitungssystem detektieren und die Wasserzufuhr verriegeln.
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Im aktuelten Stand der Technik verwenden fernauslesbare Wasserzähler langlebige Batterien, welche die notwendige Energie für die Messung des Wasserverbrauchs zur Verfügung stellen. Typischerweise liegt die Lebensdauer bei der festgelegten Eichfrist, danach muss das Gerät vollständig mit relativ hohen Kosten ausgewechselt werden.
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Der Energiegehalt der Batterie ist nur ausreichend für die Messung des Verbrauchs und zyklische Auslesung des Zählerstandes. Diese lassen sich über standartisierte Verbindungsstandards wie z.B. Mbus auslesen.
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Für Steuerungsaufgaben oder häufiges Auslesen, oder Femübermittlung ist die Energie nicht ausreichend.
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Im aktuellen Stand der Technik können Smart Meter und Leckerkennungssystem den Nutzer bei Überschreiten von Verbrauchslimits und Schäden warnen.
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Die Warnung des Nutzers geschieht über alle gängigen Kontaktmethoden: Anruf, SMS, Messaging-System, Pushnachricht, um einige Methoden aufzulisten.
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Diese Kontaktmöglichkeiten der Systeme haben den Nachteil, dass Verzögerungen bis zur Zustellung auftreten können.
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Wenn ein eingestelltes Limit bzw. Budget bei der Wasserentnahme überschritten wird, erfährt es der Nutzer im Regelfall zeitverzögert, oder er ist mit der Wasserentnahme beschäftigt.
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Im Regelfall überwachen die Kunden nur zyklisch den Wasserverbrauch und bei Überschreiten von Budgets versuchen Sie, den Wasserverbrauch zu reduzieren.
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Wassersysteme verfügen im Normalfall ebenso über verschiedene Entnahmestellen, so dass Anzeigedisplays, akustische oder optische Signale zur Informierung in räumlicher Nähe jeder Wasserentnahmestelle vorhanden sein müssten.
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Das erfindungsgemäße Gerät soll diese Nachteile abmildern und den Kostenaufwand für Systeme zum Wassersparen, zur Wasserverbrauchsdarstellung vereinfachen und günstiger machen.
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Das erfindungsgemäße Gerät kann autark, ohne externe Geräte und oder Energiequellen Steuerungsaufgaben über ein integriertes Ventil übernehmen.
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Das erfindungsgemäße Gerät informiert den Nutzer bei der Wasserentnahme über die aktuelle Verbrauchsentnahme, in dem es den Wasserstrahl an der Entnahmestelle in Menge, Druck und Temperatur alternierend moduliert.
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Das erfindungsgemäße Gerät kann selbständig seine Zählerstände und Zustände mittels intergriertem Funkmodul (Mobilfunk, Wifi) an einen Server im Internet übermitteln und Steuerungsbefehle entgegennehmen.
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Ein Femauslesen über das Internet ist mit bis dato verfügbaren Kompaktzählem nicht möglich gewesen.
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Im erfindungsgemäßen Gerät ist der geeichte Medienzähler als eigene Baugruppe integriert und kann ausgewechselt werden. Die restlichen Baugruppen können weiterverwendet werden, was den Austausch sehr kostengünstig macht.
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Das erfindungsgemäße Gerät trennt somit die notwendige Technik zur Femauslesung vom geeichten Messinstrument, so dass weiterhin nur der „analoge“ Teil des Wasserzählers nach Ablauf der Eichfrist getauscht bzw. nachgeeicht werden muss.
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Die Ausführung des erfindungsgemäßen Gerätes besteht aus mehreren Komponenten.
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Sie ist ausgestaltet zum Einbau in fertig aufgebaute Wasserinstallationen. Sie wird hinter hinter der Wasserquelle, z.B. Stadtwasseranschluss / Zisteme. o.ä., aber vor der ersten Wasserentnahmestelle in das Rohrleitungssystem eingebaut.
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Zur gezielten Kontrolle, Überwachung, Steuerung von einzelnen Teilen der Wasserinstallation lässt sich das Gerät aber auch gezielt vor Wasserentnahmestellen z.B. vor einer Dusche oder Räumen z.B. Bad installieren.
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Insbesondere wurde das Gerät so entworfen, dass es statt einem handelsüblichen Wasserzähler im Wasserzählerplatz verbaut werden kann.
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Die Erfindung ist in der Lage den Wasserzähler in Funktion zu ersetzen.
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Mehrere erfindungsgemäße Geräte in Kombination können die Wärmemenge und Wasserverlust in einem geschlossenem System wie z.B. Heizung feststellen. Hierfür teilen sich die erfindungsgemäßen Geräten Information über Wasserdruck, Wassermenge und Temperatur und errechnen die gewünschten Messwerte.
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Ein erfindesgemäßes Gerät ist in der Lage mit einem zusätzlichem externem Temperaturfühler die Wärmemenge zu berechnen.
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Das Gerät besteht aus einem Steuergerät und dem Instalfetionsteil, der in die Wasserleitung eingebaut wird.
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Liegen die Installationorte nah zusammen, ist ein Steuergerät für zwei Installationsteile verwendbar und kann dann auch alleine die Wärmemenge und Wasserverlust bestimmen.
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Der Installationsteil besteht aus einem Wasserzähler mit Signalausgang, einem Ventil, einem Temperatursensor, einem im Ventilkörper verbautem Drucksensor und einer Turbine zur Energiegewinnung.
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Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Gerätes kann den Zählerteil optisch auslesen, so dass ein Signalausgang nicht benötigt wird.
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Die Erfindung ist hierbei in der Lage die Wärmemenge anhand beider Temperatursensoren und Wassermenge des Warmwassers zu berechnen.
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Der Medienzähler ist ein kostengünstiger standartisierter KOAX 2" Einsatz. Auch andere Einbauformen sind möglich. Die Ausführungsart ob Hallsensor, oder mechanisches Flügelrad, oder andere Ausführungen spielt eine untergeordnete Rolle. Eine hohe Signalhäufigkeit ist für erfindungsgemäße Gerät im Hinblick der Steuerung von Vorteil.
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Das System verfügt über ein Ventil, welches den Wasserfluss im System steuern kann. Optimal für die Erfindung ist ein direkt gesteuertes Magnetventil. Dieses hat den Vorteil von kürzeren Stellzeiten im Vergleich zu anderen Ventilarten.
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Andere Ventilarten (gesteuerte Kugelventile, indirekt gesteuerte Magnetventile etc.) sind mit Nachteilen im Anwendungszweck ebenso verwendbar.
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Hinter dem Magnetventil ist direkt im Ventilkörper ein Drucksensor verbaut. Der Drucksensor erfasst den Wasserdruck im Leitungsnetz hinter dem Ventil. Eine Anordnung nah hinter dem Ventilmembran bzw. Schließkörper ist vorteilhaft, weil hier das Signal am wenigsten durch Fremdeinflüsse, Interferenzen und Dämpfung beeinträchtigt wird.
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Eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Gerätes integriert eine manuelle Absperreinrichtung innerhalb des elektrisch gesteuerten Ventils.
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Der wichtigste Bestandteil der Erfindung ist das Steuergerät, welches die Werte bzw. Signal aus Meidenzähler,- Temperatursensor und Drucksensor ausliest und die Steuerung des Ventils übernimmt und die Messdaten femauslesbar zur Verfügung stellt.
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Zwischen dem geeichtern Medienzähler und Ventil ist ein Turbinengehäuse samt Turbine angeordnet Es handelt sich hierbei um einen Synchrongenerator mit Permanentmagneten. Der Stator samt Spulen ist im Gehäuserückteil des Installationsgerätes eingesetzt und wird vergossen. Die Spulenausgänge werden direkt vom Steuergerät aufgenommen. Über einen Gleichrichter wird die Energie in einem Akkumulator gespeichert. Andere Generatorbauformen oder Gleichrichter in Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Gerätes sind denkbar.
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Das Turbinenrad und Gehäuse kann je nach Fluid zu erwartender Lebenszeit und Belastung aus Kunstoff, Edelstahl oder Messing bestehen.
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Da der Akkumulator nur im Betrieb durch die Turbine geladen wird, steht im Notfall nur für einen begrenzten Zeitraum Energie für Steuerungsaufgaben (z.B. Absperren bei Leck) zur Verfügung. Wenn die mögliche Absperrzeit, im derzeitigen Entwicklungsstadium von 12h nicht ausreicht oder wenn häufige Ausfälle zu erwarten sind, kann das erfindungsgemäße Gerät über den optionalen DC-Eingang geladen werden.
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Wenn keine zusätzliche externe Energiequelle (DC-Netzteil) zur Verfügung steht, ist bei abgesperrter Wasserzufuhr die Laufzeit begrenzt und der Kunde wird hierüber gewarnt.
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In der ersten Version der Erfindung, befindet sich das Steuergerät an der Rückseite des Installationsteils. Die Elektronik ist zum Schutz komplett vergossen.
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Die Sensorik und das Ventil kann wahlweise per per Kabel, Funk oder Lichtschnittstellen angebunden werden. Die Ansteuerung des Ventils übernimmt das Steuergerät mittels Halbleiterelementen, z.B: Mosfet, Transistor, Triac, Solid-State-Relais, Thyristor oder artähnlichen Bauelementen. Diese lassen eine wesentlich genauere Ansteuerung als z.B. Relais zu. Eine Umsetzung der Erfindung mittels Relais wäre möglich, allerdings wäre die Steuergenauigkeit eingeschränkt.
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Im Normalfall kennt ein elektromagnetisches Ventil nur zwei Schaltzustände, offen oder geschlossen.
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Das Steuergerät des erfindungsgemäßen Gerätes kann die Ansteuerungszeit, Spannung, Stromstärke und Modulation (PWM) des Magnetventils jedoch gezielt verändern. Hierdurch können verschiedenartige Modulationen des Wasserstrahls erreicht werden. Durch den Einbezug des Drucksensors lassen sich kritische Ansteuerungen, welche z.B. stärkere Wasserschläge oder Resonanzen verursachen, zum Schutz des Rohrsystems verhindern und der optimale Ansteuerzeitpunkt anhand der Druckverlaufskurve ermitteln.
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Bei mehrsträngigen Anlagen bzw. Kalt- / Warmwassersystemen ermöglicht das erfindungsgemäße ebenso eine Modulation der Wassertemperatur und es ist in der Lage neben dem Wasserverbrauch auch die Wärmeenergie aufzuzeichnen, zu analysieren und für eine Benutzeroberfläche aufzubereiten. Dies ist besonders vorteilhaft, da zusätzliche Wärmemengenmesser, die bauartbedingt kostenintensiv sind, entfallen können.
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Die Kombination des Drucksensors, Mikrofons und Wasserzählers ermöglicht es Störfälle frühzeitig erkennen und die Wasserzufuhr vollständig zu verriegeln.
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Ebenso wird hierdurch eine umgekehrte Kommunikation vom Wasserentnehmer zum Steuergerät ermöglicht, in dem bewusst kurze Druckänderungen z.B. durch Öffnen eines Wasserhahnes verursacht werden.
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Es zeigen:
- 1, Ansicht des Gesamtgerätes in Vogelperspektive
- 2, Ansicht des Gerätes von unten
- 3, Ansicht des Installationsteils geöffnet, ohne Turbinendeckel
- 4, Ansicht des Installationsteils von oben
- 5, Ansicht des Installationsteils geöffnet, ohne Turbinendeckel
- 6, Ansicht des Installationsteils von oben, geöffnet
- 7, Ansicht des Turbinengehäuses geöffnet, ohne Turbinenrad
- 8, Ansicht des Turbinendeckels mit Turbinenrad
- 9, Explosionszeichnung Turbine
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1 zeigt das gesamte erfindungsgemäße Gerät, bestehend aus
- 1A
- Wassereinlass,
- 1B
- Wasserauslass,
- 1C
- Wasserzähler 2" KOAX,
- 1D
- Magnetventil,
- 1E
- Li-Ion Batterie,
- 1F
- Platine mit Steuergerät,
- 1G
- Turbinengehäuse
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Wobei das Wasser über 1A eintritt, den Einschraubwasserzähler durchläuft und in das Turbinengehäuse 1G eintritt. Nach dem Durchlaufen der Turbine tritt das Wasser in die Magnetventil 1D ein. Im Ausgang des Magnetventils nahe am Wasserauslass 1B befindet sich ein Drucksensor. Das Steuergerät befindet sich auf der Platine 1F und wertet die Signale vom Wasserzähler und der restlichen Sensorik (Temperatursensor, Drucksensor, Mikrofon), enthält die Ladeelektronik für die Batterie 1E und übernimmt die Ansteuerung des Magnetventils 1D.
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2 zeigt das selbe Bauteil aus einer anderen Perspektive ohne Platine bzw. Steuergerät und Spulenteil des Magnetventils, bestehend aus
- 2A
- Wassereinlass
- 2B
- Wasserauslass
- 2C
- Drucksensor
- 2D
- Bohrung für Temperatursensor
- 2E
- Bohrung für Stator der Turbinen
- 2F
- Haltedome für Steuergerät (Platine)
- 2G
- Wasserzählereinsatz
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In dieser Ansicht ist die Passbohrung 2D im Turbinendeckel für den Temperatursensor sichtbar. Ebenso ist der Hohltopf 2D samt Bohrung für den Stator der Turbine erkennbar. Das Turbinenrad ist ebenso hohl und sitzt auf bzw. um Hohltopf des Turbinendeckels.
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In 3 wird der Bereich des Magnetventil Gehäuses abgebildet, es wird gezeigt:
- 3A
- Turbinenaustritt / Ventilbereich Eintritt
- 3B
- Dichtfläche für Membran
- 3C
- Austrittskanal nach Ventil
- 3D
- Gewinde für Drucksensor
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Das über den Einlass 3A eintretende Wasser gelangt in den Ventilraum und kann ungehindert bei geöffnetem Ventil in den Ausgangskanal 3C fließen. Mithilfe des Elektromagnetes kann eine Membran gegen die Dichtfläche 38 gepresst und der Ausgangskanal 3C verschlossen werden. Zentral im Ventilgehäuse verläuft zwischen 3B und 3C ein Kanal mit einer 90° Biegung. Durch Veränderung der Ansteuerung (Spannung, Ansteuerzeit, Modulation, Stromstärke) des Elektromagneten
kann der Wasserfluss durch das Ventil moduliert werden. Über den Drucksensor in dem Gewinde 3D wird die Modulation überwacht. Der Drucksensor ist mit dem Kanal 3C hinter der 90°
Biegung verbunden. Der Wasserstrom gelangt über den Wasserauslass 4B in das angeschlossene Leitungssystem. Die Temperatur des Wassers wird über einen Temperatursensor in der Bohrung 2D überwacht.
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In der 4 ist das Einbauteil aus 3 in Vogelperspektive dargestellt, es zeigt:
- 4A
- Wassereinlass
- 4B
- Wasserauslass
- 4C
- KOAX Verschraubung für Wasserzähler
- 4D
- Dichtfläche für Magnetventil
- 4E
- Drucksensor
- 4F
- Kanal zum Turbineneingang
- 4G
- Gewinde zur Verschraubung Magnetventilkopf
- 4H
- Turbinengehäuse
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In der 5 wird die Unterseite des Gerätes in Vogelperspektive dargestellt, es zeigt:
- 5A
- Wassereinlass
- 5B
- Wasserauslass
- 5C
- Wasserausgang Zähler / Eintritt Turbine
- 5D
- Leitwand
- 5E
- Turbinenrad
- 5F
- Dichfläche mit Nut für Deckel mit Stator
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Nach dem Durchlaufen des Wasserzählers tritt das Wasser über den den Kanal 5C in den Turbinenbereich ein und wird mittels der Leitwand 5D gezielt auf das Turbinenrad 5E gelenkt.
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Es ist erkennbar, dass das Turbinenrad 5E hohl ausgeführt ist und sich um den Topf des Turbinendeckels dreht.
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6 fokussiert den Turbinenbereich und das Turbinenrad in der Draufsicht, es zeigt:
- 6A
- Turbineneinlass
- 6B
- Turbinenauslass
- 6C
- Turbinenrad
- 6D
- Lagersitz für Turbinenrad
- 6E
- Permanentmagnete im Turbinenrad
- 6F
- Bohrung für Mikrofon
- 6G
- Flussrichtung
- 6H
- Leitwand zur Wasserflussausrichtung
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In 6 wird ist die Flussrichtung 6G Wasserstroms mittels Pfeilen dargestellt. Erkennbar ist ebenso das Turbinenrad 6C mit einen Öffnungen 6E zur Aufnahme von Permanentmagneten. Die Bohrung 6F, welche ebenso auf dem Platinendeckel angebracht ist, leitet den Schall des Auslass 5B nachfolgenden Wassernetzes auf ein Mikrofon, welches auf der Platine 1F mittig über der Bohrung platziert ist.
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Das Turbinenrad 6C weist axial sowie radial strömungsoptimierte Flächen auf. Es entnimmt dem Wasserstrom aus seiner Strudelbewegung und Abwärtsbewegung Energie.
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7 stellt den Turbinenbereich in Vogelperspektive ohne Turbinenrad dar, es zeigt:
- 7A
- Turbineneinlass
- 7B
- Turbinenauslass
- 7C
- Turbinengehäuse schneckenförmig
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In 7 wird die Gehäuseform 7C, welche eine typische Schneckenform aufweist deutlich. Bereits der Leitkanal nach dem Turbineneinlass 7A und seiner Leitwand 6H ist mit einem Gefälle ausgeführt und ist fortführend bis zum Turbinenausgang abfallend. Der Wasserstrom wird in einen Strudel gezwungen und kann effektiv seine Energie auf das Turbinenrad übertragen.
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8 bildet den Turbinendeckel samt Turbinenrad ab, es zeigt:
- 8A
- Turbinenrad
- 8B
- Lagersitz für Turbinenrad im Deckel
- 8C
- Permanentmagnete im Turbinenrad
- 8D
- Dom für Temperatursensoren
- 8E
- Topf im Turbinendeckel zur Aufnahme vom Stator
- 8F
- Haltenut im Topf für Stator
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In 8 sieht man das montierte Turbinenrad 8A auf dem Turbinendeckel. Es ist sowohl im Turbinengehäuse als auch Turbinendeckel jeweils mit einem Hybrid-Rillenkugellager aus Edelstahl und Keramik gelagert. Am Turbinendeckel befindet sich zur Aufnahme des Stators innen und des Turbinenrades außen ein Hohltopf. Der Hohltopf am Turbinendeckel bildet außerdem die Systemtrennung zwischen Turbinenrad und Elektrogenerator. Zur Temperaturmessung enthält der Turbinendeckel mittig im Bereich des Kanals nach dem Wasserzähler einen Dom 8D zur Aufnahme des Temperatursensors.
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9 bildet den Installationsteil in Explosionsdarstellung ab, es zeigt
- 9A
- Wassereinlass
- 9B
- Wasserauslass
- 9C
- Turbinengehäuses
- 9D
- Turbinenrad
- 9E
- Turbinendeckel
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In der 9 wird deutlich wie das Gerät zusammengesetzt wird und sich das Turbinenrad 9D samt Turbinendeckel 9E und Turbinengehäuse 9C zusammenfügt. Erkennbar am Turbinenrad 9D befindet sich die angeformte Welle, welche jeweils im Lager im Topf und Turbinengehäuses sitzt. Zwischen Turbinengehäuse und Deckel befindet sich ein Dichtring und beide Bauteile werden mittels 5 Schrauben miteinander verbunden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Ausführungsform beschränkt. So können offensichtlich weitere andere Ausführungen der Erfindung entwickelt bzw. eingesetzt werden, die vom gleichen Grundgedanken der Erfindung ausgehen und von den anliegenden Ansprüchen umfasst werden. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Flüssigkeit Wasser beschränkt, sondern der Nutzungsbereich dehnt sich auf alle nutzbaren Flüssigkeiten aus.
