EP2861943A1 - Verfahren und vorrichtung zum speisen einer messelektronik mit elektrischer energie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum speisen einer messelektronik mit elektrischer energie

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EP2861943A1
EP2861943A1 EP12737709.1A EP12737709A EP2861943A1 EP 2861943 A1 EP2861943 A1 EP 2861943A1 EP 12737709 A EP12737709 A EP 12737709A EP 2861943 A1 EP2861943 A1 EP 2861943A1
Authority
EP
European Patent Office
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fluid
flow
influencing
turbine
fluid flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12737709.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Burghard SCHÄFER
Volker Keller
Anh Tuan Chu
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Sensus Spectrum LLC
Original Assignee
Sensus Spectrum LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sensus Spectrum LLC filed Critical Sensus Spectrum LLC
Publication of EP2861943A1 publication Critical patent/EP2861943A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/06—Indicating or recording devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/20—Application within closed fluid conduits, e.g. pipes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for feeding a
  • Hot water pipes, natural gas pipelines, pipelines, etc. are used to monitor, measure and store the flow of fluid. This was originally done with mechanical measuring and storage devices that had to be read on site. Because the reading spot in many cases
  • One solution to the problem is to generate the required electrical energy from the fluid itself.
  • a turbine is used in the fluid flowed through the pipeline, which drives a power generator.
  • the measuring, storage, transmitting and receiving devices can be operated without misplacing electrical equipment or datings. For example, compare GB 1 354 411 A1. FR 2 686 376 A or US 4,740,711 A.
  • WO 85/01337 A a water dispenser whose water flow can be switched on and off by means of an electrically controllable valve.
  • Flow channel of the water dispenser is a turbine impinged by the water arranged, which drives an electric generator of low power.
  • the generator is connected to a valve actuating the control arrangement, the accumulator is charged with the energy supplied by the generator.
  • Flow channel of the water dispenser has a bend of 90 °, wherein the axis of rotation of the turbine wheel coincides with the longitudinal axis of the flow channel in this area limiting tubular housing.
  • the generator is aligned with the turbine out of the housing in the area of the 90 ° bend
  • EP 0 793 330 A1 discloses a power generator which can be installed in a fluid-carrying pipeline and which does not require a stuffing box gasket. This is the
  • Piping in the area of the generator is non-magnetic. Inside the pipeline sit a turbine wheel and a permanent magnet coupled to the turbine wheel. The
  • Wire winding in which electrical power is generated sits outside the pipeline.
  • Comparable power generators are also used in thermostatic valves
  • Heating systems installed Compare WO 2010/057957 A1, JP 2004-234431 A or DE 101 32 682 C1. These too require accumulators, since the
  • Heating water flow is temporarily interrupted.
  • the water and compressed air power plants are designed and controlled so that the turbine and with it the generator run at a constant grid speed, regardless of whether much or little electrical energy is removed. At the same time, the generator is controlled so that it outputs a constant mains voltage.
  • the known power plants therefore have a number of electronic and mechanical measuring and control devices.
  • Household, craft and industry use a variety of fluid meters, for example, for recording the consumption of
  • Receiving electronics can be fed. In practice, however, the maximum Flow Q max only rarely reached. Usually, the flow rates are much lower. This results in that the power generator can deliver only a fraction of the maximum power mentioned above. At a flow rate of 300 l / h and a pressure drop of 0.01 bar, the water flow generates a hydraulic power of only 83 mW. If the flow drops further, the generator will no longer generate enough power to operate the electronics. At times, the flow is zero.
  • water meters are subject to the statutory provision that the pressure drop in a water meter must not exceed a predetermined value (currently 1 bar).
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method and a device which make it possible to supply measuring electronics with electrical energy which is taken from the flow energy of the fluid to be measured itself, even if the volume flow of the fluid Fluids varies within wide limits, in particular to provide the measuring electronics reliably even with low flow rate of the fluid with electrical energy, the pressure drop of the fluid to be measured, especially at high flow rates, does not exceed a predetermined value.
  • the present invention is based on the finding that the hydraulic power is the product of pressure loss and volume flow. At constant
  • the method according to the invention therefore consists in increasing the hydraulic power at low flow rates by increasing the pressure loss in order to obtain the electrical energy required for the operation of the electronic components, while at high flow rates the resulting pressure loss is reduced in order to reduce the pressure loss within the legally permissible framework.
  • the pressure loss is measured and the fluid flow through the energy generating device is correspondingly controlled by means of the at least one element for influencing the fluid flow. There are several options for controlling the pressure loss.
  • the subject matter of the present invention is also a device for feeding measuring electronics in a fitting through which a fluid flows with a fluid
  • such a device comprises a fluid-flow fitting with measuring electronics for measuring the flow of the fluid and for storing the measured values, a power generating device comprising a generator with a turbine driven by the fluid, which supplies the electrical energy for the
  • Control device a measuring device for determining the pressure loss in the power generating device and at least one element for influencing the fluid flow through the power generating device, wherein the
  • Control device in response to the detected pressure drop and / or the flow detected by the measuring electronics which controls at least one element for influencing the fluid flow, so that the pressure loss, the fluid in the
  • Energy generating device experiences, does not exceed a predetermined value.
  • Influencing the fluid flow divert a subset of the fluid in a bypass channel.
  • the at least one element for influencing the fluid flow to a gate valve or a valve.
  • the at least one element for influencing the fluid flow comprises means which vary the cross section of the fluid flow driving the turbine.
  • a diaphragm or a flap is preferably used, wherein the diaphragm or flap is advantageously spring-loaded and is moved by the impact pressure of the fluid flow.
  • Fig. 1 shows a purely schematic device for performing the
  • the method according to the invention comprises a pipeline 1 through which a fluid flows, a fluid 2 through which the fluid is detected, measuring electronics 3 for measuring the volume flow of the fluid and for storing the measured values and optionally for transmitting and receiving measured data and control signals and a power generation unit 4.
  • the power generation unit 4 comprises a turbine 7, driven by the fluid, a generator 9, which generates the electrical energy for the measuring electronics 3, a control device 5, a measuring device for determining the pressure loss in the energy generating device 4 and at least one element for influencing the fluid flow.
  • the turbine 7 is associated with a pipe 1 'with a small cross-section. The due to the small cross-section of the pipe 1 'adjusting pressure and flow in the pipe 1' are chosen so that the turbine 7 and its downstream generator 9 from a predetermined minimum flow of the fluid generate the electrical energy required to operate the measuring electronics 3 is needed.
  • the minimum predetermined flow is preferably in the range of approximately zero in order to reliably detect even minimum flows through the fitting.
  • Control device 5 the measuring device 10 for determining the pressure loss in the power generating device and at least one element for influencing the fluid flow provided.
  • the at least one element for influencing the fluid flow is a controllable valve 8.
  • the controllable valve 8 is assigned to a bypass channel 6 around the turbine 7 and opens or closes the bypass channel 6 around the turbine 7.
  • the control device 5 receives the flow values detected by the measuring electronics 3.
  • control device 5 opens the valve 8 as a function of the measured flow rate.
  • a subset of the fluid can thus flow into the open bypass channel 6 around the turbine 7. In this way it is ensured that the turbine 7 is not overloaded.
  • the measuring device for determining the pressure loss in the power generating device 4 further includes correspondingly arranged pressure sensors 10 to monitor that the pressure loss of the fluid through the entire
  • Power generating device 4 does not rise above a predetermined maximum value.
  • the pressure sensors 10 are connected to a regulator block 1 1, which in turn is connected to the control device 5, in response to the detected Pressure difference to control the valve 8, in particular further open, if the detected pressure difference exceeds a predetermined value.
  • the degree of opening of the valve 8 thus depends both on the detected flow and on the detected pressure difference of the fluid. In the case of the embodiment described in FIG. 1, if the degree of opening of the valve depends both on the detected flow rate and on the detected pressure difference of the fluid, it is sufficient in the context of the invention for the valve to be open
  • Opening degree of the valve is controlled only depending on the detected flow or the detected pressure difference.
  • a turbine used in a pipeline with a co-rotating element for influencing the
  • the co-rotating element for influencing the fluid flow may for example comprise a predetermined number of 6 diaphragms.
  • the panels are triangular and pivotally mounted on each pivot axis. Due to the detected flow rate or the detected pressure difference, the orifices can be swiveled by means of a pivoting device such that the turbine always draws the hydraulic energy from the fluid, even at strongly changing flow rates, which the generator requires in order to at least operate the measuring and control system
  • Control electronics to produce required electrical power without being overloaded at high flow rates.
  • the at least one element for influencing the fluid flow is a rotating device on which the Turbine is rotatably mounted. Depending on the detected flow or pressure loss, the turbine is rotatable relative to the fluid flow to produce the required current or to keep the pressure drop in the power generating device below the maximum predetermined pressure loss.
  • Influencing the fluid flow although not shown, can be combined as desired.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speisen einer Messelektronik (3) in einer von einem Fluid durchströmten Armatur (2) mit elektrischer Energie, die das die Armatur (2) durchfließende Fluid in einer Turbine (7) erzeugt, wobei die Strömungsmengen und -drücke in weiten Grenzen, typisch 1: 1000, variieren, wobei der Turbine (7) eine Drucksteuervorrichtung (5) zugeordnet ist, die den Druck des auf die Turbine (7) auftreffenden Fluids so steuert, dass bei kleiner Strömungsmenge die für den Betrieb der Messelektronik (3) benötigte elektrische Energie erzeugt wird, wobei der Druckverlust, den das Fluid beim Durchfluss durch die Armatur (2) erleidet, auf einen Maximalwert begrenzt wird.

Description

Beschreibung:
"Verfahren und Vorrichtung zum Speisen einer Messelektronik mit elektrischer
Energie".
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speisen einer
Messelektronik in einer von einem Fluid durchströmen Armatur mit elektrischer Energie, die das die Armatur durchfließende Fluid in einer Turbine erzeugt.
Stand der Technik:
Durchflussmessgeräte aller Art, beispielsweise in Trinkwasserleitungen,
Brauchwasserleitungen, Erdgasleitungen, Pipelines usw. haben die Aufgabe, den Durchfluss des Fluids zu überwachen, zu messen und die Messwerte zu speichern. Dies geschah ursprünglich mit mechanischen Mess- und Speichervorrichtungen, die vor Ort abgelesen werden mussten. Da die Ablesung vor Ort in vielen Fällen
umständlich, zeitaufwändig und manchmal sogar gefährlich ist, entstand schon bald der Wunsch, die gespeicherten Messwerte drahtlos per Funk zu übertragen. Die zum Betrieb der Sende- und Empfangsvorrichtungen benötigte elektrische Energie wurde zunächst über Stromleitungen oder Batterien bereitgestellt. Dies hat jedoch einen erheblichen Mehraufwand zur Folge. Es wurde daher nach Lösungen gesucht, diesen Aufwand zu reduzieren.
Eine Lösung des Problems besteht darin, die benötigte elektrische Energie vom Fluid selbst erzeugen zu lassen. Dazu wird in die vom Fluid durchströmte Rohrleitung eine Turbine eingesetzt, die einen Stromgenerator antreibt. Auf diese Weise können die Mess-, Speicher-, Sende- und Empfangsvorrichtungen betrieben werden, ohne dass elektrische VersoryuiiysieiiuMyen verlegt oder Datierien ausge ausc t '.vorder: müssen. Man vergleiche beispielsweise GB 1 354 411 A1. FR 2 686 376 A oder US 4,740,711 A.
Es ist auch schon bekannt, elektrische oder elektronische Komponenten in häuslichen Wasserarmaturen auf die gleiche Weise mit Strom zu versorgen. So zeigt
beispielsweise die WO 85/01337 A einen Wasserspender, dessen Wasserdurchfluss mittels eines elektrisch ansteuerbaren Ventils ein- und ausschaltbar ist. Im
Strömungskanal des Wasserspenders ist ein vom Wasser beaufschlagtes Turbinenrad angeordnet, welches einen elektrischen Generator kleiner Leistung antreibt. Der Generator ist mit einer das Ventil ansteuernden Steueranordnung verbunden, deren Akkumulator mit der vom Generator gelieferten Energie aufladbar ist. Der
Strömungskanal des Wasserspenders weist eine Biegung von 90° auf, wobei die Drehachse des Turbinenrades mit der Längsachse des den Strömungskanal in diesem Bereich begrenzenden rohrförmigen Gehäuses zusammenfällt. Der Generator ist mit der Turbine fluchtend außerhalb des Gehäuses im Bereich der 90°-Biegung
vorgesehen, wobei im Gehäuse eine Ausnehmung für das Durchführen der mit der Abtriebswelle des Turbinenrades gekoppelten Generatorwelle vorgesehen ist. Die Wellendurchführung ist mittels Stopfbuchse abgedichtet.
Nachteilig an dieser Lösung ist zum einen die Notwendigkeit einer Stopfbuchsdichtung, deren Lebensdauer bekanntlich begrenzt ist. Nachteilig ist ferner der nötige
Akkumulator, da auch dessen Lebensdauer begrenzt ist.
Eine ähnliche Konstruktion zeigt die EP 0 361 333 A1. Auch diese verwendet eine Stopfbuchsdichtung zwischen Turbinenrad und Stromgenerator.
Aus der EP 0 793 330 A1 ist ein in eine Fluid-durchflossene Rohrleitung einbaubarer Stromgenerator bekannt, der ohne Stopfbuchsdichtung auskommt. Dazu ist die
Rohrleitung im Bereich des Generators amagnetisch. Im Inneren der Rohrleitung sitzen ein Turbinenrad und ein mit dem Turbinenrad gekoppelter Dauermagnet. Die
Drahtwicklung, in der elektrische Energie erzeugt wird, sitzt außerhalb der Rohrleitung.
Vergleichbare Stromgeneratoren werden auch in Thermostatventile von
Heizungsanlagen eingebaut. Man vergleiche WO 2010/057957 A1 , JP 2004-234431 A oder DE 101 32 682 C1. Auch diese benötigen Akkumulatoren, da der
Heizungswasserstrom zeitweise unterbrochen wird.
Die vorbeschriebenen Lösungen beruhen auf dem Prinzip, welches seit über 100 Jahren in Wasserkraftwerken weltweit realisiert ist. Dabei wird durch eine Stauanlage Wasser auf möglichst hohem potentiellem Niveau zurückgehalten. Die Energie der Bewegung des abfließenden Wassers wird auf eine Wasserturbine oder ein Wasserrad übertragen, wodurch dieses in Drehbewegung mit hohem Drehmoment versetzt wird. Dieses wiederum wird direkt oder über ein Getriebe an die Welle eines Generators weitergeleitet, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die Leistung der Wasserkraftwerke ist abhängig vom Wasserdurchfluss, der Fallhöhe sowie dem Wirkungsgrad des Zulaufs, der Wasserturbine, des Getriebes, des
Generators und des Transformators. Moderne Wasserkraftwerke erzielen einen
Wirkungsgrad von bis zu 90 %.
Kraftwerke, die mit Pressluft betrieben werden, funktionieren nach dem gleichen Prinzip.
Die Wasser- und Pressluftkraftwerke sind so konstruiert und werden so geregelt, dass die Turbine und mit ihr der Generator mit konstanter Netzdrehzahl laufen, unabhängig davon, ob viel oder wenig elektrische Energie abgenommen wird. Gleichzeitig wird der Generator so geregelt, dass er eine konstante Netzspannung abgibt. Die bekannten Kraftwerke besitzen daher eine Reihe von elektronischen und mechanischen Mess- und Regeleinrichtungen.
In Haushalt, Handwerk und Industrie wird eine Vielzahl von Verbrauchsmessgeräten für Fluide eingesetzt, beispielsweise für die Erfassung des Verbrauchs von
Frischwasser, Brauchwasser, Wärme, Erdgas, Öl, Sauerstoff usw. Diese Messgeräte müssen über eine bestimmte Zeit funktionieren, beispielsweise über 5 oder 6 Jahre. Sind diese Geräte mit elektronischen Komponenten für die Messung, Speicherung und Fernübertragung der Verbrauchswerte ausgerüstet, so ist eine elektrische Stromquelle erforderlich. Derzeit ist dies eine Batterie. Die eingangs erwähnten Fluid-getriebenen Generatoren konnten sich aus folgenden Gründen nicht durchsetzen.
Die Hauptschwierigkeit bei der Verwendung von Fluid-aktivierten Generatoren zur Speisung von Verbrauchsmessgeräten ist die stark streuende Strömung pro Zeiteinheit. Bei einem Wasserverbrauchszähler der Größe QN = 1 ,5 kann bei dem maximalen
Durchfluss Qmax = 3000 l/h bei dem für Wasserverbrauchszähler maximal zugelassenen Druckverlust von 1 bar eine maximale hydraulische Leistung von 83 W abgenommen werden. Mit diesen 83 W kann eine Turbine angetrieben werden, welche ihrerseits den Stromgenerator antreibt, mit dessen Strom die Mess-, Speicher-, Sende- und
Empfangselektronik gespeist werden kann. In der Praxis wird jedoch der maximale Durchfluss Qmax nur ganz selten erreicht. Üblicherweise liegen die Durchflussmengen wesentlich niedriger. Dies führt dazu, dass der Stromgenerator nur einen Bruchteil der oben erwähnten Maximalleistung abgeben kann. So erzeugt die Wasserströmung bei einem Durchfluss von 300 l/h und einem Druckverlust von 0,01 bar eine hydraulische Leistung von nur noch 83 mW. Sinkt der Durchfluss noch weiter, so erzeugt der Generator nicht mehr genügend Strom, um die Elektronik zu betreiben. Zeitweise ist der Durchfluss gleich Null.
Darüber hinaus unterliegen Wasserverbrauchszähler der gesetzlichen Bestimmung, das der Druckverlust in einem Wasserzähler einen vorgegebenen Wert (zurzeit 1 bar) nicht überschreiten darf.
Darstellung der Erfindung: Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es möglich machen, eine Messelektronik mit elektrischer Energie zu speisen, die aus der Strömungsenergie des zu messenden Fluids selbst entnommen wird, auch wenn der Volumenstrom des Fluids in weiten Grenzen variiert, insbesondere die Messelektronik auch bei geringem Volumenstrom des Fluids zuverlässig mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei der Druckverlust des zu messenden Fluids insbesondere bei großen Durchflüssen, einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die hydraulische Leistung das Produkt von Druckverlust und Volumenstrom ist. Bei konstantem
Querschnitt steigt und fällt die hydraulische Leistung mit der dritten Potenz des Volumenstroms. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit darin, bei kleinem Durchfluss die hydraulische Leistung dadurch zu erhöhen, dass der Druckverlust erhöht wird, um die für den Betrieb der Elektronikkomponenten benötigte elektrische Energie zu erhalten, während bei großen Durchflüssen der entstehende Druckveriust erniedrigt wird, um den Druckverlust innerhalb des gesetzlich zulässigen Rahmens zu halten. Um diese Bedingung einhalten zu können, wird der Druckverlust gemessen und der Fluidstrom durch die Energieerzeugungsvorrichtung mittels des wenigstens einen Elements zur Beeinflussung des Fluidstroms entsprechend gesteuert. Zur Steuerung des Druckverlustes gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine erste
Möglichkeit besteht darin, den Querschnitt der die Turbine antreibenden Fluidströmung beispielsweise mittels Blenden oder Klappen zu verändern. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, einzelne Teilmengen des Fluids in einen Bypasskanal ableiten zu lassen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Speisen einer Messelektronik in einer von einem Fluid durchströmten Armatur mit elektrischer
Energie, insbesondere eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4. Gemäß Anspruch 5 umfasst eine solche Vorrichtung eine von einem Fluid durchströmte Armatur mit einer Messelektronik zum Messen des Durchflusses des Fluids und zum Speichern der Messwerte, eine Energieerzeugungsvorrichtung umfassend einen Generator mit einer von dem Fluid angetriebenen Turbine, der die elektrische Energie für die
Messelektronik erzeugt, wobei die Energieerzeugungsvomchtung femer eine
Steuervorrichtung, eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Druckverlusts in der Energieerzeugungsvorrichtung und wenigstens ein Element zur Beeinflussung des Fluidstroms durch die Energieerzeugungsvorrichtung umfasst, wobei die
Steuervorrichtung in Abhängigkeit des erfassten Druckverlust und/oder des von der Messelektronik erfassten Durchflusses das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms steuert, so dass der Druckverlust, den das Fluid in der
Energieerzeugungsvorrichtung erfährt, einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das wenigstens eine Element zur
Beeinflussung des Fluidstroms eine Teilmenge des Fluids in einen Bypasskanal ableiten.
Hierbei weist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms einen Absperrschieber oder ein Ventil auf. Alternativ oder auch zusätzlich umfasst das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms Mittel, die den Querschnitt der die Turbine antreibenden Fluidströmung variieren. Beispielsweise wird bevorzugt eine Blende oder eine Klappe verwendet, wobei die Blende oder Klappe vorteilhafterweise federbelastet ist und vom Pralldruck der Fluidströmung bewegt wird.
Schließlich besteht die Möglichkeit, mittels des wenigstens einen Elements zur
Beeinflussung des Fluidstroms die Turbine relativ zur Fluidströmung zu bewegen, so dass die Turbine je nach Bedarf mehr oder weniger mit Fluid beaufschlagt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt rein schematisch
Fig. 1 eine Darstellung einer kompletten Kombination aus Rohrleitung, Armatur,
Messelektronik und Energieerzeugungsvorrichtung mit Turbine und Generator, wobei die Druckregelung mittels gesteuerter Bypassströmung erfolgt. Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:
Fig. 1 zeigt rein schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer von einem Fluid durchströmten Rohrleitung 1 , einer vom Fluid durchströmten Armatur 2, in der die Menge des hindurchströmenden Fluids erfasst wird, einer Messelektronik 3 zum Messen des Volumenstroms des Fluids und zum Speichern der Messwerte sowie gegebenenfalls zum Senden und Empfangen von Messdaten und Steuersignalen und einer Energieerzeugungseinheit 4.
Die Energieerzeugungseinheit 4 umfasst eine Turbine 7, angetrieben von dem Fluid, einen Generator 9, der die elektrische Energie für die Messelektronik 3 erzeugt, eine Steuervorrichtung 5, eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Druckverlusts in der Energieerzeugungsvorrichtung 4 und wenigstens ein Element zur Beeinflussung des Fluidstroms. Der Turbine 7 ist eine Rohrleitung 1 ' mit einem kleinen Querschnitt zugeordnet. Der sich aufgrund des kleinen Querschnitts der Rohrleitung 1 ' einstellende Druck und Durchfluss in der Rohrleitung 1' sind so gewählt, dass die Turbine 7 und der ihr nachgeordnete Generator 9 ab einem vorgegebenen minimalem Durchfluss des Fluids die elektrische Energie erzeugen, die zum Betrieb der Messelektronik 3 benötigt wird.
Bei einer Armatur mit Messelektronik, die zum Messen des Durchflusses eines Fluids wie etwa Wasser verwendet wird, liegt der minimal vorgegebene Durchfluss bevorzugt im Bereich von annähernd Null, um auch minimale Durchflüsse durch die Armatur sicher zu erfassen.
Zur Regelung des Durchflusses des Fluids in der Rohrleitung 1 ' sind die
Steuervorrichtung 5, die Messvorrichtung 10 zur Bestimmung des Druckverlusts in der Energieerzeugungsvorrichtung und wenigstens ein Element zur Beeinflussung des Fluidstroms vorgesehen.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms ein steuerbares Ventils 8. Das steuerbare Ventil 8 ist einem Bypasskanal 6 um die Turbine 7 zugeordnet und öffnet oder schließt den Bypasskanal 6 um die Turbine7.
Die Steuervorrichtung 5 erhält die von der Messelektronik 3 erfassten Durchflusswerte.
Steigt der gemessene Durchfluss des Fluids in der Rohrleitung 1 an, so öffnet die Steuervorrichtung 5 das Ventil 8 in Abhängigkeit von dem gemessenen Durchfluss.
Eine Teilmenge des Fluids kann somit in den geöffneten Bypasskanal 6 um die Turbine 7 strömen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Turbine 7 nicht überlastet wird.
Die Messvorrichtung zur Bestimmung des Druckverlusts in der Energieerzeugungs- Vorrichtung 4 umfasst darüber hinaus entsprechend angeordnete Drucksensoren 10, um zu überwachen, dass der Druckverlust des Fluids durch die gesamte
Energieerzeugungsvorrichtung 4 nicht über einen vorgegebenen Maximalwert ansteigt.
Die Drucksensoren 10 sind mit einem Reglerblock 1 1 verbunden, welcher wiederum mit der Steuervorrichtung 5 verbunden ist, um in Abhängigkeit von der erfassten Druckdifferenz das Ventil 8 zu steuern, insbesondere weiter zu öffnen, falls die erfasste Druckdifferenz einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Reglerblock 11 in der
Steuervorrichtung 5 integriert sein.
Der Öffnungsgrad des Ventils 8 hängt somit sowohl vom dem erfassten Durchfluss als auch von der erfassten Druckdifferenz des Fluids ab. Wenn bei der in Figur 1 beschriebenen Ausführungsform der Öffnungsgrad des Ventils sowohl vom dem erfassten Durchfluss als auch von der erfassten Druckdifferenz des Fluids abhängt, so ist es im Rahmen der Erfindung ausreichend, wenn der
Öffnungsgrad des Ventils nur in Abhängigkeit des erfassten Durchflusses oder der erfassten Druckdifferenz gesteuert wird.
Bei einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist eine in eine Rohrleitung eingesetzte Turbine mit einem mitrotierenden Element zur Beeinflussung des
Fluidstroms vorgesehen. Das mitrotierende Element zur Beeinflussung des Fluidstrom kann beispielsweise ein vorgegebenen Anzahl von 6 Blenden umfassen. Die Blenden sind dreieckig und an je einer Schwenkachse schwenkbar gelagert. Die Blenden können aufgrund der erfassten Durchflussmenge bzw. des erfassten Druckdifferenz mittels einer Schwenkvorrichtung so geschwenkt werden, dass die Turbine auch bei stark wechselnden Durchflüssen dem Fluid stets die hydraulische Energie entnimmt, die der Generator benötigt, um wenigstens die zum Betrieb der Mess- und
Steuerelektronik erforderliche elektrische Leistung zu erzeugen, ohne bei hohen Durchflüssen überlastet zu werden.
So setzen in einer Ausgangsstellung der Blenden diese der Fluidstromung einen hohen Widerstand entgegen, so dass dem Fluid eine entsprechend hohe hydraulische Leistung entnommen werden kann. In einer Endstellung der Blenden sind diese so weit geschwenkt, dass sie dem Fluidstrom nur noch einen minimalen Widerstand
entgegensetzen.
Bei einer weiteren alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform ist das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms eine Drehvorrichtung, auf der die Turbine drehbar gelagert ist. Je nach erfasstem Durchfluss bzw. Druckverlust, ist die Turbine relativ zur Fluidströmung drehbar, um den erforderlichen Strom zu produzieren bzw. um den Druckverlust in der Energieerzeugungsvorrichtung unterhalb des maximal vorgegebenen Druckverlusts zu halten.
Die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Elemente zur
Beeinflussung des Fluidstroms können, wenn auch nicht dargestellt, beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Speisen einer Messelektronik (3) in einer von einem Fluid
durchströmten Armatur (2) mit elektrischer Energie, wobei der Durchfluss des durch die Armatur (2) hindurchströmenden Fluids schwankt, mittels einer
Energieerzeugungsvorrichtung (4) umfassend
einen Generator (9) mit einer in einem vom dem Fluid durchflossenen
Rohrleitungsabschnitt (1 ') angeordneten Turbine (7), wobei der Generator (9) elektrische Energie zur Speisung der Messelektronik erzeugt,
- eine Steuervorrichtung (5) und
wenigstens ein Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms durch die
Energieerzeugungsvorrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass
die Turbine (7) des Generators (9) ausgelegt ist, ab einem vorgegebenen Minimaldurchflusses des Fluids durch die Armatur (2) elektrische Energie zu erzeugen,
ein Druckverlust des Fluids, den das Fluid in der Energieerzeugungsvorrichtung (4) erfährt, erfasst wird,
und die Steuervorrichtung (5) in Abhängigkeit des erfassten Druckverlust und/oder des von der Messelektronik (3) erfassten Durchflusses das
wenigstens eine Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms steuert, so dass der Druckverlust, den das Fluid in der Energieerzeugungsvorrichtung (4) erfährt, einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des
vorgegebenen Minimaldurchflusses annähernd Null ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms den
Querschnitt der die Turbine (7) antreibenden Fluidströmung verändert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms eine
Teilmenge des Fluids in einen Bypasskanal (6) ableitet.
5. Vorrichtung zum Speisen einer Messelektronik (3) in einer von einem Fluid durchströmten Armatur (2) mit elektrischer Energie, insbesondere
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfassend:
eine von einem Fluid durchströmte Armatur (2) mit einer Messelektronik (3) zum Messen des Durchflusses des Fluids und zum Speichern der Messwerte, eine Energieerzeugungsvorrichtung (4) umfassend einen Generator (9) mit einer von dem Fluid angetriebenen Turbine (7), der die elektrische Energie für die Messelektronik (3) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieerzeugungsvom'chtung (4) ferner umfasst:
eine Steuervorrichtung (5) ,
eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Druckverlusts in der
Energieerzeugungsvorrichtung und
wenigstens ein Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms durch die Energieerzeugungsvorrichtung,
wobei die Steuervorrichtung (5) in Abhängigkeit des erfassten Druckverlust und/oder des von der Messelektronik (3) erfassten Durchflusses das wenigstens eine Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms steuert, so dass der
Druckverlust, den das Fluid in der Energieerzeugungsvorrichtung (4) erfährt, einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms einem Bypasskanal (6) zugeordnet ist, um eine Teilmenge des Fluids in den Bypasskanal
(6)
abzuleiten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (8) zur Beeinflussung des Fluidstroms einen Absperrschieber oder ein Ventil umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms Mittel umfasst, die den Querschnitt der die Turbine antreibenden Fluidströmung variieren.
9. Vomchtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element zur Beeinflussung des Fluidstroms eine Blende oder Klappe umfasst.
10. Vomchtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe
federbelastet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine mittels des wenigstens einen Elements zur Beeinflussung des Fluidstroms relativ zur Fluidstömung bewegbar ist.
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