EP2786099A1 - Durchflussmesser für sanitärarmaturen - Google Patents

Durchflussmesser für sanitärarmaturen

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EP2786099A1
EP2786099A1 EP12805920.1A EP12805920A EP2786099A1 EP 2786099 A1 EP2786099 A1 EP 2786099A1 EP 12805920 A EP12805920 A EP 12805920A EP 2786099 A1 EP2786099 A1 EP 2786099A1
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EP
European Patent Office
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housing
piezoelectric film
film
sensor
flow meter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12805920.1A
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English (en)
French (fr)
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Eike Christian Weiss
Christian Siebert
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SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Original Assignee
SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG filed Critical SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
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    • G01F15/06—Indicating or recording devices
    • G01F15/061—Indicating or recording devices for remote indication
    • G01F15/063—Indicating or recording devices for remote indication using electrical means

Definitions

  • the invention relates to a flow meter according to the preamble of claim 1.
  • the water consumption is usually detected by a flow meter.
  • the flow meter can be centralized for several residential units, z. B. be housed in the basement of a building. The costs of water consumption are then distributed over certain keys.
  • a recording of the amount of water consumed per unit is known in modern residential buildings. If the water consumption per dwelling unit or even per tap point is to be recorded in an old building, the usual flowmeter must be installed in the building
  • a sanitary fitting with a sensor for a physical parameter is known, which is designed screwed to an outlet opening of the valve.
  • electronic components and a button battery are housed, wherein a display is provided for displaying a detected by the sensor water temperature.
  • the invention has for its object to provide a flow meter, with the individual detection of water consumption at all taps is possible with little effort, with the Flow meter should be characterized by a compact design and low maintenance.
  • the flow meter according to the invention serves not only the
  • Consumption of a liquid eg. As water, but can also be used to determine the flow rates of gases.
  • the invention extends to both liquids and gases, however, the description of the invention will be explained below with reference to a flow meter for water.
  • the invention is based on the finding that with a piezoelectric film, in particular a PVDF film, which is arranged in particular annularly in the region of the outlet of a housing through which liquid or gas flows, in particular of a fitting, an electric power is generated in an amount. in a known manner in about the 3rd power of the flow rate, z. B. the liquid is dependent. From the flow rate and the cross section of the housing, the flow rate per unit time can then be determined.
  • the invention is also based on the idea of a
  • PVDF film piezoelectric film
  • the flow meter according to the invention is a simple
  • the flowmeter can also be in a supply line, for. B. to a shower head can be realized.
  • the invention also allows a small design, so that the sensor is barely recognizable.
  • the flow meter may be arranged at an outlet opening of a sanitary fitting. This can be at any tap without a
  • High-frequency circuit is provided, which is a high-frequency Receiving unit comprising an antenna, and an external transmission signal according to the RFID principle into electrical energy for supplying the electronic circuit converts. If the energy generated in the sensor is not sufficient to sufficiently strong
  • a passive method known from RFID technology may be used.
  • a stationary transmitter continuously generates a high frequency signal of constant frequency. This signal is received by a stationary receiver. If the transmission characteristics of the room do not change, the strength of the room is
  • the sensor is a tuned to the frequency antenna whose impedance z. B. over a
  • Receiver incoming signal strength (minimal) varies.
  • o receiver can still safely detect.
  • This makes a simple system possible that consists of a unit for generating energy, a Threshold detector and a high frequency circuit including an antenna is.
  • the PVDF film used produces a charge dependent on the flow rate, as described above. The dependence of the charge on the flow velocity can be approximated by a polynomial.
  • This charge can be stored in a capacitor via a low forward voltage diode. The more water has flowed through the sensor, the higher the voltage applied to the capacitor.
  • the use of a ten or avalanche diode is advantageous. As soon as the voltage across the capacitor exceeds a threshold value, an avalanche-like breakthrough occurs (avalanche effect) in the downstream decade or avalanche diode. This is suddenly low impedance, the charge on the capacitor can flow through a coil of the high-frequency circuit. This will cause it to vibrate.
  • the values of the LC combination determine the frequency of these oscillations, which are then transmitted by the antenna. Because
  • the vortex electronics may include or control a display unit.
  • Radio signal is assigned.
  • the flow meter In order to be able to attach the flow meter to a faucet particularly easily, it is possible for the flow meter to be arranged in a housing which can be screwed to the outlet opening of the sanitary fitting in a thread and through which water flows.
  • the output unit for outputting the measured value comprises a measuring signal which is modulated onto a carrier frequency, wherein the measuring signal is demodulated by a receiver.
  • the measurement signal which is a frequency dependent on the flow, may be a repetitive high frequency signal.
  • the piezoelectric film in particular the PVDF film is folded several times. This makes it possible to obtain a larger amount of energy, so that an evaluation is less sensitive to external disturbances.
  • the piezoelectric film may be annular in the housing z. B. be arranged an aerator of a water-bearing fitting.
  • the film is preferably folded several times to generate larger amounts of energy.
  • the arrangement is one behind the other of several folded, annular piezoelectric films, or even the arrangement of several film packages on the inner circumferential surface of the housing. As the piezoelectric film or foils are formed and in what arrangement they on the
  • Inner circumferential surface of the housing can be arranged, among other things depends on the flow rate.
  • the electrical energy generated by the PVDF film is stored in a memory, wherein by the output device, a value for the flow rate is indicated, which is dependent on the value of the stored electrical energy.
  • the stored energy makes it possible to dispense with an additional energy source, for example a battery.
  • the housing is part of a sanitary fitting.
  • Water meter is simple and inexpensive.
  • a particularly preferred development of the invention is characterized in that a disruptive body is arranged in the housing in the region of the PVDF film as a piezoelectric element. Increased vortex formation improves the sensor properties.
  • FIG. 1 is a perspective view of a faucet with a sensor according to the invention
  • Fig. 3 is a perspective view of the sensor with
  • Fig. 4 is a schematic representation of the sensor from above seen
  • FIG. 5 is a schematic representation of a first embodiment of the sensor seen from the side or
  • FIG. 6 is a schematic representation of a second one
  • Fig. 6a shows a schematic representation similar to FIG. 6, wherein a plurality of piezoelectric films or folded foil packets in the flow direction one behind the other and next to each other
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a circuit with transmitter and receiver
  • Fig. 9 is a circuit diagram of a circuit according to the RFID principle.
  • Fig. 1 shows a faucet or a sanitary fitting 1 for z. B. a sink. Mounted thereon is a flow sensor 2 for measuring the water consumption, wherein the flow sensor 2 is a PVDF film F
  • Fig. 3 shows a part of a
  • the sensor 2 is also arranged in a ring.
  • the sensor 2 implemented by the PVDF film F makes use of the piezoelectricity of various materials. This consists in the charge separation of certain crystals or semi-crystalline substances by mechanical deformation of a crystal lattice.
  • Polyvinylidene fluoride (C2H2F2) is a semi-crystalline polymer that undergoes piezoelectric properties through a poling process. This material is very flexible material and can be produced as a thin foil.
  • the PVDF material used consists for example of about 50% crystalline, partly polar, lamellae. The polarization process can take place as follows:
  • a process step comprises stretching the film and causing
  • the individual polar lamellae align themselves along the field, ie perpendicular to the plane.
  • the film has the desired piezoelectric properties. It has been found that the PVDF film F, especially when folded several times, provides a sufficient amount of electrical energy, the power generation being based on the following principles:
  • the pipe wall of the housing 6 shown in Fig. 3 has a certain roughness. Due to the roughness (Reynolds number) at the
  • Pipe walls arise in the area of the pipe wall when flowing through with a fluid or gas vortex. These whirls make for a
  • Frequency of the vortex depends on the flow velocity. This means that the generated electrical energy in a known manner is dependent on the flow rate, wherein, taking into account the cross section and the flow velocity, the flow rate per unit time can be determined. It is conceivable that the currently generated electrical energy is displayed converted as the value for the flow rate, which is a normal flow meter
  • the electrical energy could be stored, with the amount of stored in a memory, eg. As in a capacitor C1 (Fig. 7), stored electrical energy is a measure of the
  • the electronic circuit 2 ' (FIG. 7) connected to the sensor 2 and the actual sensor 2 (FIG. 3) itself are arranged on a flexible board 10.
  • the sensor 2 is arranged in a ring.
  • the electronic circuit 2 ' has an output unit 1 1 for outputting a measured value for water consumption.
  • the measured value here is a frequency or a frequency signal A or B, which is shown by way of example in FIG. 8. 8 shows sawtooth pulses S1, S2 and high-frequency oscillations HF1, HF2 a transmitting unit 12 of the circuit 2 '.
  • the current I required for the supply of the electronic circuit is generated by the PVDF film F (sensor 2) as a piezoelectric element 13.
  • the power supply virtually comprises an energy recovery unit (piezo element 13), which converts the external energy, namely the kinetic energy of the water, into the electrical energy for the supply of the electronic circuit 2 '.
  • pieo element 13 which converts the external energy, namely the kinetic energy of the water, into the electrical energy for the supply of the electronic circuit 2 '.
  • the external energy is an energy of the water flow of the sanitary fitting 1 obtained by the vortex method.
  • Fig. 4 shows a sensor 2, which is provided with the annularly arranged film F. As illustrated in FIG. 5, an electrical disturbance is generated by an additional interfering body 14a and a sensor element 15 formed by the film F as a result of the vortex 16.
  • the sensor 2 shows the sensor 2 with the interference body 14a arranged centrally in the channel and the sensor element 15 which is formed by the piezoelectric film F at the edge or on the inner wall of the tubular housing 6 (FIG. 3).
  • the piezoelectric film 15a is arranged on the bluff body 14a.
  • the film 15a may in this case for
  • FIG. 6 shows a preferred variant in which a bluff body 14b is designed on the edge or as an inwardly projecting elevation. This has an approximately triangular shape in cross section.
  • the sensor element 15 is formed by a piezoelectric film on the edge or on the inner wall of the tubular housing 6 (FIG. 3), wherein the film F can also be folded to increase the yield.
  • Fig. 6a shows a variant of FIG. 6, wherein a plurality of annular, advantageously folded piezoelectric PVDF films 15b one behind the other and next to each other on the inner circumferential surface of the
  • Housing are arranged. Also conceivable is the arrangement of several film packages circumferentially distributed on the inner circumferential surface of the housing.
  • These vortex generators are z. B. arranged in an aerator.
  • the electronic circuit 2 '(Fig. 7) of the sensor part is divided into three sections or circles, in a circle K1 for
  • the power generation circle K1 comprises the piezo element 13, a diode D1 and a capacitor C1.
  • the capacitor is charged quickly at high flow A, which means a steep rise in voltage S1.
  • the capacitor is charged slowly, which is illustrated by the voltage increase S2.
  • the second circuit 2 comprises a zener diode Z-D and discharges the
  • Capacitor C1 The charge accumulated in the capacitor C1 then flows into the high frequency circuit K3, which has a tuning capacitor C2 and an RF transformer T1 with transmitting antenna 17.
  • Circles K1 to K3 form a quasi-output unit.
  • the connected to the sensor 2 (element 13) electronic circuit has the
  • Capacitor C1 which depends on the sensor 2 in dependence
  • Water flow rate dependent frequency signal (S1, S2 or HF1, HF2) is generated.
  • the circuit 2 'shown in FIG. 7 is a radio transmitter incorporating the
  • Frequency signal to the receiver 3 'transmits The radio signal is evaluated by a Vortex electronics (transmitter 4) to the
  • the receiver 3 '( Figure 3) is spatially remote from the armature 1 (stationary unit) and comprises a receiving antenna 18, a transformer T2, a diode D3 and an analog filter Fi.
  • Measuring signal is modulated by the carrier frequency generated by the resonant circuit (capacitance C2 and inductance of the transformer). In the receiver 2 ', this signal is demodulated by the filter again.
  • the output unit thus comprises a measuring signal which is modulated on a carrier frequency or the resonant frequency of the capacitor C2 and the inductance of the transformer.
  • the receiver 3 ' the measurement signal is demodulated.
  • Fig. 9 shows a variant in which the external energy of a
  • Radio frequency circuit which comprises a high-frequency receiving unit with an antenna, and converts an external transmission signal according to an RFID principle into electrical energy for supplying the electronic circuit.
  • the example illustrates load modulation of a carrier signal by a vortex signal (such as RFID).
  • the flow meter unit 2 "has a sensor with a
  • the circuit comprises a modulation transistor TR, which is driven by the piezo element and connected to an antenna 20.
  • the stationary unit 3 has a transmitter 21 with a transformer T3, an antenna 22 and a fixed transmission frequency
  • the antenna impedance changed by the transistor TR results in varying the signal strength arriving at the receiver 24.
  • the antenna 23 is associated with the receiver
  • the receiver 24 also has a diode D3, a
  • the example also describes a method of measuring water flow with a flow meter.
  • the basic idea of the invention is basically that the value of the "electrical" energy generated by a PVDF film is dependent on the flow rate in a known manner.
  • the invention is not limited to this example;
  • the sensor is also conceivable to arrange in the supply line of the faucet. Also, in each case in the hot water supply line 25 and the cold water supply line 26, a sensor may be present, so that the cold water and the
  • Hot water consumption can be recorded separately.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser, umfassend ein von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmtem Gehäuse mit einer Innenmantelfläche, wobei das Gehäuse auf der Innenmantelfläche angeordnet mindestens eine piezoelektrische Folie zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, wobei eine elektronische Schaltung mit einer Ausgabeeinrichtung vorgesehen ist, die mit der piezoelektrischen Folie elektrisch verbunden ist, wobei durch die Ausgabeeinrichtung ein Wert für die Durchflussmenge angegeben wird, der von der durch die piezoelektrische Folie erzeugten elektrischen Energie abhängig ist.

Description

DURCHFLUSSMESSER FÜR SANITÄRARMATUREN
Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Der Wasserverbrauch wird üblicherweise durch einen Durchflussmesser erfasst. Der Durchflussmesser kann hierbei für mehrere Wohneinheiten zentral, z. B. im Keller eines Gebäudes untergebracht sein. Die Kosten für den Wasserverbrauch werden dann über bestimmte Schlüssel verteilt. Darüber hinaus ist in modernen Wohngebäuden auch eine Erfassung der verbrauchten Wassermenge pro Wohneinheit bekannt. Soll in einem Altbau der Wasserverbrauch pro Wohneinheit oder gar pro Zapfstelle erfasst werden, so ist mit der Montage üblicher Durchflussmesser in den
Wohnungen bzw. sogar in einzelnen Räumen mit Entnahmestellen ein erheblicher Aufwand verbunden.
Aus der DE 33 28 782 A1 ist eine Sanitärarmatur mit einem Sensor für einen physikalischen Parameter bekannt, der an eine Auslauföffnung der Armatur anschraubbar ausgeführt ist. In dem Gehäuse sind elektronische Bauteile sowie eine Knopfbatterie untergebracht, wobei zur Darstellung einer vom Sensor erfassten Wassertemperatur eine Anzeige vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussmesser zu schaffen, mit dem die individuelle Erfassung des Wasserverbrauchs an allen Zapfstellen mit geringem Aufwand möglich ist, wobei sich der Durchflussmesser durch eine kompakte Bauform und einen geringen Wartungsaufwand auszeichnen soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Der erfindungsgemäße Durchflussmesser dient nicht nur der
Verbrauchsbestimmung einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, sondern kann auch zur Ermittlung der Durchflussmengen von Gasen eingesetzt werden.
Insofern erstreckt sich die Erfindung sowohl auf Flüssigkeiten als auch auf Gase, gleichwohl im Folgenden die Beschreibung der Erfindung anhand eines Durchflussmessers für Wasser erläutert wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit einer piezoelektrischen Folie, insbesondere einer PVDF-Folie, die insbesondere ringförmig im Bereich des Auslasses von einem mit Flüssigkeit oder Gas durchströmten Gehäuse angeordnet ist, insbesondere einer Armatur, eine elektrische Leistung in einer Menge erzeugt wird, die in bekannter Weise in etwa in der 3. Potenz von der Durchflussgeschwindigkeit, z. B. der Flüssigkeit abhängig ist. Aus der Durchflussgeschwindigkeit und dem Querschnitt des Gehäuses kann dann die Durchflussmenge pro Zeiteinheit ermittelt werden.
Die Erfindung beruht auch auf dem Gedanken, eine
Wassermengenmessung an allen Zapfstellen zu ermöglichen, ohne dass größere Umbauten erforderlich sind.
Für die Erzeugung von elektrischer Energie ist es ausreichend, wenn durch die durch die Armatur strömende Flüssigkeit oder Gas aufgrund der
Rohrreibung und der damit einhergehenden Wirbelbildung die
piezoelektrische Folie (PVDF-Folie) mechanisch verformt wird. Das Maß der hierbei erzeugten elektrischen Leistung ist in etwa in der 3. Potenz von der Durchflussgeschwindigkeit und damit der Durchflussmenge abhängig.
Um die Energie aus der Strömung zu gewinnen bzw. zu generieren, wird im Grunde das Vortex- Prinzip in Kombination mit piezoelektrischen Materialien eingesetzt.
Sollte die Rohrreibung als„Störkörper" nicht ausreichend sein, so besteht natürlich die Möglichkeit, z. B. im Bereich der Rohrwandung in der Nähe der ringförmigen PVDF-Folie, künstliche Hindernisse vorzusehen, die die Wirbelbildung begünstigen.
Durch die Erfindung kann auf eine Batterie verzichtet werden, die zwei wesentliche Nachteile hat. Zum einen ist sie relativ groß, sodass sehr kleine Abmessungen eines Durchflussmessers nicht möglich sind, und zum anderen muss die Batterie nach einer bestimmten Zeit ausgetauscht werden, was ein wasserdichtes Batteriefach erfordert, oder es muss sogar der komplette Sensor ausgetauscht werden. Durch den erfindungsgemäßen Durchflussmesser ist eine einfache
Nachrüstbarkeit, z. B. in dem Perlator eines Wasserhahns oder ein Einbau in einer Zuleitung, möglich. Der Durchflussmesser kann auch in einer Zuleitung, z. B. zu einem Duschkopf, realisiert werden. Die Erfindung erlaubt auch eine kleine Bauform, sodass der Sensor kaum erkennbar ist.
Der Durchflussmesser kann an einer Auslassöffnung einer Sanitärarmatur angeordnet sein. Dadurch kann an jeder Zapfstelle ohne eine
Leitungsauftrennung ein Durchflussmesser montiert werden. Möglich ist, dass zusätzliche externe Energie von einer
Hochfrequenzschaltung bereitgestellt wird, die eine Hochfrequenz- Empfangseinheit mit einer Antenne umfasst, und ein externes Sendesignal nach dem RFID-Prinzip in elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Schaltung umwandelt. Sollte die erzeugte Energie im Sensor nämlich nicht ausreichen, um ein ausreichend starkes
5 Hochfrequenzsignal aktiv zu erzeugen, kann ein aus der RFID-Technologie bekanntes passives Verfahren angewendet werden. Ein stationärer Sender erzeugt kontinuierlich ein Hochfrequenzsignal konstanter Frequenz. Dieses Signal wird von einem stationären Empfänger empfangen. Ändern sich die Übertragungseigenschaften des Raums nicht, so ist die Stärke des
o empfangenen Signals konstant. Dieser Zustand kann über einen
Bandpassfilter herausgefiltert werden. Im Sensor befindet sich eine auf die Frequenz abgestimmte Antenne, deren Impedanz z. B. über einen
Transistor oder eine Kapazitätsdiode von der Spannung, die von dem Piezoelement also der PVDF-Folie erzeugt wird, in Abhängigkeit vom5 Durchfluss verändert wird. Diese Veränderung findet nur dann statt, wenn Wasser durch den Sensor fließt.
Diese Veränderung der Antennenimpedanz führt dazu, dass die am
Empfänger ankommende Signalstärke (minimal) variiert. Diese
o Schwankungen in der Signalstärke können durch einen geeigneten Filter demoduliert werden, wobei das resultierende Signal dem Vortex-Signal entspricht, so als wäre kein Funkkanal vorhanden. Auch hier kann eine bestehende Elektronik genutzt werden. 5 Eine leitungsgebundene Signalübertragung über vorhandene Kupferrohre ist auch denkbar.
Es kann angenommen werden, dass die z. B. von der PVDF-Folie erzeugte Energie ausreichend ist, um ein Funksignal zu erzeugen, das ein
o Empfänger noch sicher detektieren kann. Dadurch ist ein einfaches System möglich, das aus einer Einheit zur Energiegewinnung, einem Schwellwertdetektor und einem Hochfrequenzkreis inklusive einer Antenne besteht. Die eingesetzte PVDF-Folie erzeugt eine, wie oben beschrieben, in bekannter weise von der Fließgeschwindigkeit abhängige Ladung. Die Abhängigkeit der Ladung von der Fließgeschwindigkeit kann durch ein Polynom genähert werden. Diese Ladung kann über eine Diode mit niedriger Durchlassspannung in einem Kondensator gespeichert werden. Je mehr Wasser durch den Sensor geflossen ist, umso höher ist die am Kondensator anliegende Spannung. Vorteilhaft ist der Einsatz einer Zehner- oder Avalanchediode. Sobald die Spannung am Kondensator einen Schwellwert überschreitet, kommt es dann zu einem lawinenartigen Durchbruch (Avalanche Effekt) in der nachgeschalteten Zehner- oder Avalanchediode. Diese wird dadurch schlagartig niederohmig, wobei die Ladung am Kondensator über eine Spule des Hochfrequenzkreises fließen kann. Dadurch wird dieser zu Schwingungen angeregt. Die Werte der LC- Kombination bestimmen die Frequenz dieser Schwingungen, die dann durch die Antenne ausgesendet werden. Da nur eine begrenzte
Energiemenge in den Schwingkreis überführt wurde, wird nur ein kurzer Impuls erzeugt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, sodass eine von der Durchflussmenge abhängige Anzahl an Hochfrequenzimpulsen pro Zeiteinheit erzeugt wird.
Diese Impulse können dann mit einer weiteren Antenne in einer stationären Einheit empfangen und über eine einfache Schaltung demoduliert und gefiltert werden. Das resultierende Signal besteht aus einzelnen
Rechteckimpulsen, die ohne weiteren Aufwand von der bekannten Vortex- Elektronik ausgewertet werden können. Die Vortex-Elektronik kann eine Anzeigeeinheit umfassen oder diese steuern.
Mit einer stationären Einheit können auch mehrere Sensoren erfasst werden, wenn jedem Sensor eine eigene Trägerfrequenz für das
Funksignal zugeordnet wird. Um den Durchflussmesser besonders einfach an einem Wasserhahn befestigen zu können, ist es möglich, dass der Durchflussmesser in einem Gehäuse angeordnet ist, der mit einem Gewinde an der Auslassöffnung der Sanitärarmatur verschraubbar ist, und der von Wasser durchströmt wird.
Möglich ist auch, dass die Ausgabeeinheit zum Ausgeben des Messwertes ein Messsignal umfasst, das auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert wird, wobei durch einen Empfänger das Messsignal demoduliert wird. Das Messsignal, welches eine von dem Durchfluss abhängige Frequenz ist, kann ein sich wiederholendes Hochfrequenzsignal sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebes ist vorgesehen, dass die piezoelektrische Folie, insbesondere die PVDF-Folie mehrfach gefaltet ist. Hierdurch ist es möglich, eine größere Energiemenge zu gewinnen, sodass eine Auswerteelektronik unempfindlicher gegen äußere Störgrößen ist.
Die piezoelektrische Folie kann ringförmig im Gehäuse z. B. einen Perlator einer wasserführenden Armatur angeordnet sein. Die Folie ist hierbei vorzugsweise mehrfach gefaltet zur Erzeugung größerer Energiemengen. Denkbar und auch von der Erfindung umfasst, ist auch die Anordnung hintereinander von mehreren gefalteten, ringförmigen piezoelektrischen Folien, oder auch die Anordnung von mehreren Folienpaketen an der Innenmantelfläche des Gehäuses. Wie die piezoelektrische Folie oder Folien ausgebildet sind und in welcher Anordnung sie an der
Innenmantelfläche des Gehäuses angeordnet werden, ist u. a. von der Durchflussmenge abhängig. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die von der PVDF-Folie erzeugte elektrische Energie in einem Speicher gespeichert, wobei durch die Ausgabeeinrichtung ein Wert für die Durchflussmenge angegeben wird, der vom Wert der gespeicherten elektrischen Energie abhängig ist. Durch die gespeicherte Energie ist es möglich, auf eine zusätzliche Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, zu verzichten.
Für die dezentrale Erfassung des Wasserverbrauchs ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse Teil einer Sanitärarmatur ist. Ein Nachrüsten solcher
Wasserzähler ist einfach und kostengünstig.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der PVDF-Folie als piezoelektrisches Element ein Störkörper im Gehäuse angeordnet ist. Durch eine verstärkte Wirbelbildung werden die Sensoreigenschaften verbessert.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen nachstehend beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wasserhahns mit einem erfindungsgemäßen Sensor,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wasserhahns,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Sensors mit
herausgeschnittenen Segment,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Sensors von oben gesehen,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Sensors von der Seite bzw. gesehen,
5
zeigt eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 5, wobei der Störkörper die piezoelektrische Folie insbesondere als gefaltetes Folienpaket aufweist; i o Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform des Sensors in einer Seitenansicht;
Fig. 6a zeigt eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 6, wobei mehrere piezoelektrische Folien oder gefaltete Folienpakete in 15 Strömungsrichtung hintereinander und nebeneinander
vorgesehen sind;
Fig. 7 ein Schaltbild einer Schaltung mit Sender und Empfänger,
20 Fig. 8 gesendete Ausgangssignale bei verschiedenen
Wassermengen bzw. eine Ladespannung an einem
Speicherkondensator und erzeugte Funksignale, und
Fig. 9 ein Schaltbild einer Schaltung nach dem RFID-Prinzip.
25
In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Wasserhahn bzw. eine Sanitärarmatur 1 für z. B. ein Waschbecken. Daran montiert ist ein Durchflusssensor 2 zur Messung des 30 Wasserverbrauchs, wobei der Durchflusssensor 2 eine PVDF-Folie F
umfasst. Zusammen mit einem Empfänger 3' bzw. einer Empfängereinheit mit einer Auswerteelektronik 4 bildet er einen Durchflussmesser 5. Der Durchflusssensor 2 bzw. eine Sensorschaltung 2' ist in einem ring- oder rohrförmigen Gehäuse 6 eingebettet, das in Fig. 3 gezeigt ist, und an dem an der in Fig. 2 gekennzeichneten Auslauföffnung 7 der Armatur 1 ein 5 Außengewinde 8 verschraubt wird. Fig. 3 zeigt einen Teil eines
Durchflussmessers. Der Sensor 2 ist ebenfalls ringförmig angeordnet.
Der durch die PVDF-Folie F (Polyvinylidenfluorid) ausgeführte Sensor 2 macht man sich die Piezoelektrizität verschiedener Materialien zunutze. i o Diese besteht in der Ladungstrennung aus bestimmten Kristallen oder teilkristallinen Stoffen durch mechanische Verformung eines Kristallgitters.
Polyvinylidenfluorid (C2H2F2) ist ein teilkristallines Polymer, das mithilfe eines Polungsprozesses piezoelektrische Eigenschaften erhält. Dieses 15 Material ist sehr flexibles Material und kann als dünne Folie produziert werden. Das verwendete PVDF-Material besteht zum Beispiel zu etwa 50 % aus kristallinen, teils polaren, Lamellen. Der Polarisierungsvorgang kann dabei wie folgt ablaufen:
20 Ein Verfahrensschritt umfasst ein Strecken der Folie und bewirkt ein
Aufrichten der Lamellen und somit der Dipolmomente senkrecht zur Folienebene und trägt zur Phasenumwandlung von nicht-polaren in polare Phasen innerhalb der Lamellen bei. Dann wird in einem weiteren
Verfahrensschritt die Folie auf z. B. 80 - 130 °C erhitzt und ein elektrisches
25 Feld angelegt. Dieses bleibt eingeschaltet, bis die Folie abgekühlt ist.
Hierbei richten sich die einzelnen polaren Lamellen entlang des Feldes, also senkrecht zur Ebene, aus. Nach dem Abkühlen besitzt die Folie die gewünschten piezoelektrischen Eigenschaften. Es hat sich herausgestellt, dass die PVDF-Folie F, insbesondere wenn sie mehrfach gefaltet ist, eine ausreichende Menge an elektrischer Energie bereitstellt, wobei die Energieerzeugung auf folgenden Grundlagen basiert:
Die Rohrwandung des in Fig. 3 gezeigten Gehäuses 6 weist eine gewisse Rauigkeit auf. Aufgrund der Rauigkeit (Reynold'sche Zahl) an der
Rohrwandung entstehen im Bereich der Rohrwandung bei Durchströmen mit einem Fluid oder Gas Wirbel. Diese Wirbel sorgen für eine
mechanische Verformung der Folie F, die aufgrund des piezoelektrischen Effektes zur Erzeugung einer elektrischen Energie führt. Die Wirbelbildung ist umso heftiger, je größer die Durchflussmenge ist. Das heißt, die
Frequenz der Wirbel ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Das heißt, dass die erzeugte elektrische Energie in bekannter Weise abhängig von der Durchflussgeschwindigkeit ist, wobei unter Berücksichtigung des Querschnitts und der Strömungsgeschwindigkeit die Durchflussmenge pro Zeiteinheit ermittelt werden kann. Denkbar ist, dass die momentan erzeugte elektrische Energie umgerechnet als Wert für die Durchflussmenge angezeigt wird, was einem normalen Durchflussmengenmesser
entsprechen würde. Die elektrische Energie könnte gespeichert werden, wobei die Menge der in einem Speicher, z. B. in einem Kondensator C1 (Fig. 7), gespeicherten elektrischen Energie ein Maß für die
Durchflussmenge darstellt, die in einem bestimmten Zeitraum durch das Gehäuse 6 geströmt ist.
Die mit dem Sensor 2 verschaltete elektronische Schaltung 2' (Fig. 7) sowie der eigentliche Sensor 2 (Fig. 3) selbst sind auf einer flexiblen Platine 10 angeordnet. Der Sensor 2 ist ringförmig angeordnet. Die elektronische Schaltung 2' hat eine Ausgabeeinheit 1 1 zum Ausgeben eines Messwertes für den Wasserverbrauch. Der Messwert ist hier eine Frequenz bzw. ein Frequenzsignal A oder B, der in Fig. 8 beispielhaft dargestellt ist. Fig. 8 zeigt Sägezahnimpulse S1 , S2 und hochfrequente Schwingungen HF1 , HF2 einer Sendeeinheit 12 der Schaltung 2'.
Der für die Versorgung der elektronischen Schaltung erforderliche Strom I wird durch die PVDF-Folie F (Sensor 2) als Piezoelement 13 generiert.
Die Stromversorgung umfasst quasi eine Energiegewinnungseinheit (Piezoelement 13), die die externe Energie, und zwar die kinetische Energie des Wassers, in die elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Schaltung 2' umwandelt.
Die externe Energie ist eine nach dem Vortex- Verfahren gewonnene Energie des Wasserdurchflusses der Sanitärarmatur 1 .
Fig. 4 zeigt einen Sensor 2, der mit der ringförmig angeordneten Folie F versehen ist. Wie Fig. 5 veranschaulicht, wird durch einen zusätzlichen Störkörper 14a und einem durch die Folie F gebildeten Sensorelement 15 infolge der Wirbel 16 eine elektrische Spannung erzeugt.
Fig. 5 zeigt den Sensor 2 mit dem mittig im Kanal angeordneten Störkörper 14a und dem Sensorelement 15, das durch die piezoelektrische Folie F am Rand bzw. an der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses 6 (Fig. 3) gebildet ist. Gemäß der Variante nach Fig. 5a ist die piezoelektrische Folie 15a am Störkörper 14a angeordnet. Die Folie 15a kann hierbei zur
Erzeugung größerer Energiemengen zu einem Folienpaket gefaltet sein.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Variante, bei der ein Störkörper 14b am Rand bzw. als eine nach innen ragende Erhebung ausgeführt ist. Diese hat eine etwa Dreieckform im Querschnitt. Das Sensorelement 15 wird durch eine piezoelektrische Folie am Rand bzw. an der Innenwand des rohrförmigen Gehäuses 6 (Fig. 3) gebildet, wobei die Folie F zur Erhöhung der Ausbeute auch gefaltet sein kann. Fig. 6a zeigt eine Variante zu Fig. 6, wobei mehrere ringförmige, vorteilhaft gefaltete piezoelektrische PVDF-Folien 15b hintereinander und nebeneinander auf der Innenmantelfläche des
Gehäuses angeordnet sind. Denkbar ist auch die Anordnung von mehreren Folienpaketen umfangsverteilt auf der Innenmantelfläche des Gehäuses.
Diese Vortex-Generatoren (Fig. 4 bis 6) sind z. B. in einem Perlator angeordnet.
Die elektronische Schaltung 2' (Fig. 7) des Sensorteils teilt sich in drei Abschnitte bzw. Kreise auf, und zwar in einen Kreis K1 für
Energiegewinnung, einen Kreis K2 für die Schwellwerterkennung und einen Hochfrequenzkreis K3 für die Funkübertragung auf. Der Kreis K1 für Energiegewinnung umfasst das Piezoelement 13, eine Diode D1 und einen Kondensator C1 . Der Kondensator wird bei hohem Durchfluss A schnell geladen, was einen steilen Spannungsanstieg S1 bedeutet. Bei niedrigem Durchfluss B wird der Kondensator langsam geladen, was durch den Spannungsanstieg S2 veranschaulicht ist.
Durch die Resonanz des Kreises K3 wird ein Hochfrequenzsignal z. B. HF1 oder z. B. HF3 erzeugt, der vom Empfänger 3' empfangen wird.
Der zweite Kreis 2 umfasst eine Zener-Diode Z-D und entlädt den
Kondensator C1 . Die im Kondensator C1 gesammelte Ladung fließt dann in den Hochfrequenzkreis K3, der einen Abstimmungskondensator C2 und einen HF-Trafo T1 mit Sendeantenne 17 aufweist.
Die Kreise K1 bis K3 bilden quasi eine Ausgabeeinheit. Die mit dem Sensor 2 (Element 13) verschaltete elektronische Schaltung weist den
Kondensator C1 auf, der vom Sensor 2 in Abhängigkeit einer
Wasserdurchflussmenge aufgeladen wird, wobei nach Erreichen des vorgegebenen Schwellwertes der Kondensatorspannung der Kondensator C1 durch die Zener-Diode Z-D entladen wird, sodass ein von der
Wasserdurchflussmenge abhängiges Frequenzsignal (S1 , S2 bzw. HF1 , HF2) erzeugt wird.
Die in Fig. 7 gezeigte Schaltung 2' ist ein Funksender, der das
Frequenzsignal an den Empfänger 3' sendet. Das Funksignal wird durch eine Vortex-Elektronik (Auswerteelektronik 4) ausgewertet, um die
Wasserdurchflussmenge zu bestimmen.
Der Empfänger 3' (Fig. 3) ist räumlich von der Armatur 1 entfernt (stationäre Einheit) und umfasst eine Empfangsantenne 18, einen Trafo T2, eine Diode D3 und einen analogen Filter Fi.
Das vom Sensor 2 mit einer ersten Messsignalfrequenz erzeugte
Messsignal wird durch die vom Schwingkreis (Kapazität C2 und Induktivität des Trafos) erzeugte Trägerfrequenz moduliert. Im Empfänger 2' wird dieses Signal durch den Filter wieder demoduliert.
Die Ausgabeeinheit umfasst zum Ausgeben eines Messwertes somit ein Messsignal, das auf einer Trägerfrequenz bzw. der Resonanzfrequenz des Kondensators C2 und der Induktivität des Trafos aufmoduliert ist. Durch den Empfänger 3' wird das Messsignal demoduliert.
Fig. 9 zeigt eine Variante, bei der die externe Energie von einer
Hochfrequenzschaltung bereitgestellt wird, die eine Hochfrequenz- Empfangseinheit mit einer Antenne umfasst, und ein externes Sendesignal nach einem RFID-Prinzip in elektrische Energie zur Versorgung der elektronischen Schaltung umwandelt. Das Beispiel veranschaulicht eine Lastmodulation eines Trägersignals durch ein Vortex-Signal (wie RFID). Die Durchflussmessereinheit 2" weist einen Sensor mit einer
Lastmodulation bzw. einem Piezoeiement 13 auf. Die Schaltung umfasst einen Modulationstransistor TR auf, der vom Piezoeiement angesteuert und mit einer Antenne 20 verbunden ist.
Die stationäre Einheit 3" weist einen Sender 21 mit einem Trafo T3, einer Antenne 22 und einer festen Sendefrequenz. Die durch den Transistor TR veränderte Antennenimpedanz führt dazu, dass die an dem Empfänger 24 ankommende Signalstärke variiert wird. Die Antenne 23 ist dem Empfänger zugeordnet. Der Empfänger 24 hat außerdem eine Diode D3, einen
Demodulationsfilter Fi und eine Auswerteelektronik 4.
Das Beispiel beschreibt auch ein Verfahren zur Wassermengenmessung mit einem Durchflussmesser.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht grundsätzlich darin, dass der Wert der von durch eine PVDF-Folie erzeugte„elektrische" Energie in bekannter Weise abhängig von der Durchflussmenge ist.
Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt; denkbar ist der Sensor auch in der Zuleitung des Wasserhahns anzuordnen. Auch kann jeweils in der Warmwasserzuleitung 25 und der Kaltwasserzuleitung 26 ein Sensor vorhanden sein, sodass der Kaltwasser- und der
Warmwasserverbrauch separat erfasst werden können.
Bezugszeichenliste
1 Sanitärarmatur
2 Durchflusssensor
2' Elektronische Schaltung
2" Durchflussmessereinheit
3' Empfänger
3" Stationäre Einheit
4 Auswerteelektronik
5 Durchflussmesser
6 Gehäuse
7 Auslauföffnung
8 Außengewinde
10 Platine
1 1 Ausgabeeinheit
12 Sendeeinheit
13 Piezoelement
14 Störkörper
15 Sensorelement
15a piezoelektrische Folie
15b piezoelektrische Folie
16 Wirbel
17 Sendeantenne
18 Empfangsantenne
20 Erste Antenne
21 Sender
22 Zweite Antenne
23 Dritte Antenne
24 Empfänger
25 Warmwasserzuleitung 26 Kaltwasserzuleitung
S1.S2 Sägezahnimpulse
HF1 , HF2 hochfrequente Schwingungen
Fi Filter
TR Transistor
T1-T3 Trafos
C1.C2 Kondensatoren
D1-D3 Dioden
Z-D Zener-Diode
A hoher Durchfluss
B niedriger Durchfluss
F PVDF-Folie

Claims

Ansprüche
Durchflussmesser (5), umfassend ein von einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmtem Gehäuse (6) mit einer Innenmantelfläche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (6) auf der Innenmantelfläche angeordnet mindestens eine piezoelektrische Folie (F) zur Erzeugung
elektrischer Energie aufweist, wobei eine elektronische Schaltung (2') mit einer Ausgabeeinrichtung vorgesehen ist, die mit der piezoelektrischen Folie (F) elektrisch verbunden ist, wobei durch die Ausgabeeinrichtung ein Wert für die Durchflussmenge angegeben wird, der von der durch die piezoelektrische Folie (F) erzeugten elektrischen Energie abhängig ist.
Durchflussmesser nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die piezoelektrische Folie (F) mehrfach gefaltet ist. 3. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von der piezoelektrischer Folie (F) erzeugte elektrische Energie in einem Speicher gespeichert wird. 4. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse Teil einer Sanitärarmatur ist.
5. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der piezoelektrischen Folie (F) ein Störkörper (14) im Gehäuse angeordnet ist.
6. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die piezoelektrische Folie ringförmig auf der Innenmantelfläche des Gehäuses angeschraubt oder angeklebt ist.
7. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die piezoelektrische Folie ringförmig ausgebildet und auf der Innenmantelfläche des Gehäuses angeordnet ist.
8. Durchflussmesser nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die piezoelektrische Folie als PVDF-Folie ausgebildet ist. 9. Verfahren zur Wassermengenmessung mit einem Durchflussmesser (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer ringförmig in einer von einem Gas oder Flüssigkeit durchströmten Gehäuses angeordneten PVDF-Folie (F) zur Ermittlung der Durchflussmenge.
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