DE3801658A1 - Verfahren zur erfassung einer stroemenden fluessigkeitsmenge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Menge einer durch einen Kanal mit festen Abmessungen strömenden Flüssigkeit.

Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise bei der Trinkwasserversorgung oder auch bei der Abwasser- bzw. Regenwasser-Entsorgung benötigt. "Flüssigkeit" wäre dann also beispielsweise Frischwasser oder Abwasser. Genaue Angaben über die anfallende Menge der Flüssigkeit werden benötigt, um beispielsweise bei erhöhter Menge ein Überfließen von Vorratsbehältern oder Rückhaltebecken zu vermeiden. Wenn rechtzeitig bekannt ist, daß beispielsweise durch starke Regenfälle oder Schneeschmelze eine erhöhte Flüssigkeitsmenge anfallen wird, können entsprechende Ventile, Schieber oder Schleusen betätigt werden, durch welche die Flüssigkeit oder zumindest ein Teil derselben umgeleitet wird. Mit den bisher bekannten Verfahren ist eine solche Erfassung der Menge einer strömenden Flüssigkeit nur unvollkommen möglich.

Bekannt ist bisher nur ein Verfahren, bei dem mittels eines in einem Kanal angebrachten, in Abhängigkeit von der Höhe des Wasserspiegels in der Höhe verstellbaren Flügelrades die Menge von durch den Kanal strömendem Wasser mehr oder weniger genau erfaßt wird. Der Kanal hat dabei feste Abmessungen, so daß der Wasserspiegel in definiertem und bekanntem Maße in Abhängigkeit von der fließenden Wassermenge steigt oder fällt. Bei dem Kanal kann es sich beispielsweise um eine offene Rinne aber auch um ein Rohr handeln. Die von dem Flügelrad abgegebenen, aus Umdrehungszahl und Höhe desselben resultierenden Meßwerte werden aufgezeichnet und in Abständen ausgewertet. Es kann dadurch nachträglich mit einiger Genauigkeit festgestellt werden, wieviel Wasser beispielsweise in ein Rückhaltebecken in einem bestimmten Zeitraum hineingeflossen ist. Eine direkte Beeinflussung der in das Rückhaltebecken fließenden Wassermenge ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Menge einer strömenden Flüssigkeit genau erfaßt werden kann und mit dem es möglich ist, den Flüssigkeitsstrom in Abhängigkeit von der Flüssigkeitsmenge innerhalb eines vorhandenen Strömungssystems direkt zu steuern.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs geschilderten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

• - daß die Höhe des Spiegels der Flüssigkeit im Kanal mittels einer eine proportionale elektrische Ausgangsgröße liefernden Höhensonde und/oder die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Kanal mittels einer eine proportionale elektrische Ausgangsgröße liefernden Strömungssonde gemessen werden,
• - daß die Ausgangsgrößen der beiden Sonden einem Wandler zugeführt und von demselben in eine der jeweiligen Flüssigkeitsmenge proportionale Frequenz umgesetzt werden,
• - daß die Frequenz einem in der Flüssigkeit angeordneten Schallgenerator zugeführt wird und
• - daß an einem vom Ort der Sonden räumlich weit entfernten, ebenfalls von der Flüssigkeit durchströmten Ort ein Frequenzmesser in die Flüssigkeit eingetaucht wird, dessen Meßgröße in eine proportionale Flüssigkeitsmenge umgesetzt wird.

Mit diesem Verfahren ist eine exakte Erfassung der durch den Kanal strömenden Flüssigkeitsmenge möglich, die durch Fernübertragung der gewonnenen Meßwerte ein kurzfristiges Reagieren ermöglicht, wenn beispielsweise in kurzer Zeit eine stark erhöhte Flüssigkeitsmenge anfällt. Sonden zur Erfassung der Höhe des Flüssigkeitsspiegels und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit sind bekannt. Sie arbeiten beispielsweise mittels Ultraschall. Als Ausgangsgröße liefern sie beispielsweise eine elektrische Gleichspannung bis zu 10 V. Die von den beiden Sonden abgegebenen Meßwerte werden nach Umsetzung in eine proportionale Frequenz mittels des Schallgenerators der Flüssigkeit zugeführt und in derselben als Schall übertragen.

Schall breitet sich in Wasser vier bis fünf Mal so schnell wie in Luft aus. Er kann also an einer räumlich weit entfernten Station mittels des Frequenzmessers in kürzester Zeit erfaßt und ausgewertet werden. Die Übertragung ist dabei unabhängig von bestehenden Systemen, wie beispielsweise Funk oder Kabel. Sie ist weitestgehend störungssicher und führt auch nicht zu Störungen anderer Übertragungen. Mit entsprechend geeichten Geräten ist es beispielsweise möglich, einen der erfaßten Frequenz entsprechenden Wert dauernd in l/s anzuzeigen, so daß die durch den Kanal strömende Flüssigkeitsmenge in einer zentralen Station ständig ablesbar ist. Dadurch kann der Flüssigkeitsstrom von Bedienungspersonal jederzeit durch Betätigung von Ventilen, Schiebern oder Schleusen in einem vorhandenen Kanalsystem in die gewünschten Wege geleitet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Wasserlauf mit angeschlossenem Verteilersystem.

Fig. 2 eine Meßstelle zur Erfassung der Wassermenge in ebenfalls schematischer Darstellung.

Fig. 3 eine im Verlauf des Wasserlaufs angeordnete Station.

Fig. 4 und 5 eine gegenüber Fig. 2 abgewandelte Meßstelle in zwei unterschiedlichen Ansichten.

In der folgenden Beschreibung wird ein System zur Wasserversorgung erläutert, so daß statt des Wortes "Flüssigkeit" das Wort "Wasser" verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein Wasserlauf 1 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um eine Frischwasserleitung zur Frischwasserversorgung einer Ortschaft handeln kann. Das aus einer beliebigen Quelle kommende Wasser durchströmt einen Kanal 2 mit festliegenden Abmessungen, der in Fig. 1 an der Stelle 3 angeordnet sein soll. Von dort aus strömt das Wasser in Richtung des Pfeiles 4 an einer Station 5 vorbei in ein durch mehrere Arme 6 angedeutetes Verteilersystem. Jeder der Arme 6 ist durch einen Schieber 7 mit dem Wasserlauf 1 verbindbar oder von demselben abtrennbar.

Der Kanal 2 kann als offene Rinne oder auch als Rohr ausgeführt sein. Er muß nur mit festen Abmessungen so ausgeführt sein, daß das hindurchfließende Wasser nicht unkontrolliert seitwärts ausweichen kann. Über dem in Fig. 2 als offene Rinne dargestellten Kanal 2 ist eine Höhensonde 8 installiert, die nach entsprechender Einstellung bzw. Eichung die Höhe des Wasserspiegels 9 mißt. Die Höhensonde 8 liefert eine der Höhe des Wasserspiegels 9 proportionale elektrische Ausgangsgröße, beispielsweise eine Gleichspannung, die einem Summierer 10 zugeführt wird.

In das Wasser ist innerhalb des Kanals 2 außerdem eine Strömungssonde 11 eingetaucht, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mißt. Die Strömungssonde 11 liefert ebenfalls eine elektrische Ausgangsgröße, beispielsweise eine Gleichspannung, die auch dem Summierer 10 zugeführt wird. An den Summierer 10 ist ein Wandler 12 angeschlossen, der die ihm zugeführte elektrische Größe des Summierers 10 in eine der durch den Kanal 2 strömenden Wassermenge proportionale Frequenz umsetzt. Diese Frequenz wird einem Schallgenerator 13 zugeführt, der im Wasser des Wasserlaufs 1 angeordnet ist. Für die Übertragung der Frequenz kann beispielsweise das aus der Nachrichtentechnik bekannte Trägerfrequenzverfahren verwendet werden.

In weiter Entfernung vom Kanal 2 befindet sich in der Nähe des Wasserlaufs 1 eine Station 14 zur Wartung des Wasserlaufs 1 und des Verteilersystems. In der Nähe der Station 14 ist ein Frequenzmesser 15 in das Wasser des Wasserlaufs eingetaucht, der an Geräte der Station 14 angeschlossen ist. Die Station 14 kann mit den Schiebern 7 verbunden sein.

Das Verfahren zur Erfassung der durch den Kanal 2 fließenden Wassermenge arbeitet wie folgt:

Von dem durch den Kanal 2 strömenden Wasser wird mittels der Höhensonde 8 die Höhe des Wasserspiegels 9 und mittels der Strömungssonde 11 die Geschwindigkeit gemessen. Beide Sonden 8 und 11 liefern beispielsweise eine elektrische Gleichspannung bis zu zehn Volt. Vor Beginn der Messungen sind beide Sonden 8 und 11 auf einen Normalwert eingestellt bzw. geeicht worden. Die der Wasserhöhe und der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Spannungswerte werden dem Summierer 10 zugeführt. Der an denselben angeschlossene Wandler 12 setzt die aufsummierten Werte in eine Frequenz um, die vorzugsweise im Niederfrequenzbereich bis zu 1000 Hz liegt.

Die Frequenz des Wandlers 12 wird dem Schallgenerator 13 beispielsweise als Modulation zugeführt, der im Wasser angeordnet ist. Der Schallgenerator 13 kann sich im Kanal 2 befinden. Er kann aber auch an einer anderen Stelle des Wasserlaufs 1 in das Wasser eingebracht sein. Der vom Schallgenerator 13 abgestrahlte Schall breitet sich im Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 m/s aus. Er wird von dem in der Nähe der Station 14 befindlichen Frequenzmesser 15 aufgenommen und dort in eine proportionale Wassermenge umgesetzt. An einem Anzeigegerät 16 kann dann beispielsweise jederzeit die durch den Kanal 2 fließende Wassermenge in l/s abgelesen werden. Bedienungspersonal kann dann die Schieber 7 so steuern, daß eine wirksame Verteilung des Wassers sichergestellt ist.

Statt des Kanals 2 kann auch ein Rohr 18 eingesetzt werden, das mit einer vorgegebenen Schräglage (Gefälle) in den Wasserlauf 1 eingebaut wird und durch welches das Wasser zwangsweise hindurchtreten muß. Am Ort des Rohres 18 wird ein Rechner 19 aufgestellt, an den der Wandler 12 angeschlossen wird. Da der lichte Durchmesser D des Rohres 18 bekannt ist, können die maximale Durchflußmenge Q und die maximale Strömungsgeschwindigkeit V des Wassers berechnet und zusammen mit dem Durchmesser D und dem Gefälle des Rohres 18 dem Rechner 19 aufgegeben werden. Ebenso können dem Rechner 19 an Hand vorhandener Tabellen für eine Vielzahl von Werten das jeweilige Verhältnis einer Teilmenge QT des Wassers zur maximalen Durchflußmenge Q, einer Teilgeschwindigkeit vT zur maximalen Geschwindigkeit v und der Höhe h des Wasserspiegels 9 zum Durchmesser D des Rohres 18 aufgegeben werden. Es reicht dann aus, wenn nur eine der Sonden 8 oder 11 verwendet wird, wenn also entweder die Höhe des Wasserspiegels 9 oder die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Rohr 18 gemessen und dem Rechner 19 zugeführt werden. Die Ausgangsgröße des Rechners 19 wird dem Wandler 12 zugeführt. Die Übertragung der vom Wandler 12 gelieferten Frequenz geschieht auf die gleiche, weiter oben schon beschriebene Art und Weise.

Beispiel

Ein Rohr 18 mit einem Durchmesser D von 900 mm und einem Gefälle von 0,2% (1 : 500) hat eine maximale Durchflußmenge von 1000 l/s und es erlaubt eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 1,53 m/s. Dabei ist eine betriebliche Rauhigkeit von 0,25 berücksichtigt. Bei einer gemessenen Wasserhöhe von h = 401 mm ergibt sich eine durch das Rohr 18 fließende Teilmenge von QT = 400 l/s und eine Strömungsgeschwindigkeit von vT = 1,45 m/s. Die gleichen Werte ergäben sich, wenn die Strömungsgeschwindigkeit mit vT = 1,45 m/s gemessen worden wäre. Diese Werte entsprechen den im Rechner 19 gespeicherten Verhältnissen QT/Q = 0,4, vT/v = 0,95 und h/D = 0,439.

In einem Wassersystem können mehrere Kanäle 2 bzw. Rohre 18 vorhanden sein, die jeweils mit einer Höhensonde 8 und seiner Strömungssonde 11 überwacht werden. Die entsprechenden Signale können mittels unterschiedlicher Frequenzen zur Station 14 übertragen werden. Es wäre dann beispielsweise möglich, den Zulauf zu einem Rückhaltebecken rechtzeitig zu stoppen, bevor dasselbe überläuft.

An den Frequenzmesser 15 bzw. das Anzeigegerät 16 kann eine Alarmeinrichtung 17 angeschlossen sein, die dann anspricht, wenn in dem Kanal 2 bzw. Rohr 18 schlagartig eine beispielsweise durch starke Regenfälle bedingte große Wassermenge anfällt. Die Alarmeinrichtung 17 kann aber auch dann ausgelöst werden, wenn die Wasserhöhe im Kanal 2 oder im Rohr 18 einen Mindestpegel unterschreitet.

Das geschilderte Verfahren gilt in gleicher Weise auch für Abwassersysteme und Regenwassersysteme, die mit entsprechenden Überwachungseinrichtungen ausgerüstet sind.

Alle an der jeweiligen Meßstelle vorhandenen Geräte können vor Ort aus einer Batterie gespeist werden. Es ist auch möglich, Solarsysteme einzusetzen, durch welche Batterien aufgeladen werden oder welche direkt zum Betrieb der Geräte eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erfassung der Menge einer durch einen Kanal mit festen Abmessungen strömenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Höhe des Spiegels (9) der Flüssigkeit im Kanal (2) mittels einer eine proportionale elektrische Ausgangsgröße liefernden Höhensonde (8) und/oder die Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Kanal (2) mittels einer eine proportional elektrische Ausgangsgröße liefernden Strömungssonde (11) gemessen werden,
• - daß die Ausgangsgrößen der beiden Sonden (8, 11) einem Wandler (12) zugeführt und von demselben in eine der jeweiligen Flüssigkeitsmenge proportionale Frequenz umgesetzt werden,
• - daß die Frequenz einem in der Flüssigkeit angeordneten Schallgenerator (13) zugeführt wird und
• - daß an einem vom Ort der Sonden (8, 11) räumlich weit entfernten, ebenfalls von der Flüssigkeit durchströmten Ort ein Frequenzmesser (15) in die Flüssigkeit eingetaucht wird, dessen Meßgröße in eine proportionale Flüssigkeitsmenge umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Höhensonde (8) und Strömungssonde (11) gleichzeitig eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Flüssigkeit durch ein schräg angeordnetes Rohr (18) mit bekannter Neigung geleitet wird,
• - daß der Durchmesser des Rohres (18), das der Neigung desselben entsprechende Gefälle, die maximale Durchflußmenge, die maximale Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit sowie mit Bezug auf eine jeweilige Teilmenge der Flüssigkeit das Verhältnis von Teilmenge zu maximaler Durchflußmenge, das Verhältnis von Teilgeschwindigkeit zur maximalen Geschwindigkeit und das Verhältnis von Höhe des Wasserspiegels zum Durchmesser des Rohres einem Rechner (19) aufgegeben werden,
• - daß entweder die Höhe des Spiegels (9) der Flüssigkeit oder deren Geschwindigkeit mittels einer der Sonden (8, 11) gemessen werden, deren Ausgangsgröße dem Rechner (19) zugeleitet wird und
• - daß der Wandler (12) an den Rechner angeschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Frequenzmesser (15) eine Alarmeinrichtung (17) angeschlossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Flüssigkeitssystem mehrere Kanäle (2) mit Überwachungseinrichtung angeordnet werden, deren Meßwerte mit unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden.