Verfahren und Vorrichtung zur indirekten Messung der Erschöpfung des Filtermittels eines Filters

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Messung der Erschöpfung des Filtermittels eines Filters, wobei die Erschöpfung nach der Durchströmung eines Maximalvolumens V _m einer Flüssigkeit eintritt. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Messung der Erschöpfung eines Filtermittels eines Filters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 25.

Unter einem Filter werden insbesondere auch Filterkartuschen verstanden.

Vorrichtungen zur Behandlung von Wasser weisen einen Filter auf, in den ein Rohwasser einströmt und aus dem Filter ein gefiltertes Wasser ausströmt. Die Filter oder Filterkartuschen sind mit Filtermittel gefüllt, das im Wege der Adsorption und/oder Absorption Schadstoffe aus dem Rohwasser entfernt. Typische Filtermittel für Trinkwasser liegen in Granulatform vor und dienen zur chemischen und/oder mechanischen Entfernung und/oder Verminderung von organischen und/oder anorganischen Verunreinigungen.

Die Filterkapazität der Filtermittel erschöpft sich nach dem Durchfluss einer bestimmten Rohwassermenge, d.h. eines Maximalvolumens V _m , so dass die Filterkartusche ausgetauscht werden muss. Um eine gleich bleibend hohe Qualität des gefilterten Wassers zu gewährleisten, ist es notwendig, dem Anwender diese Erschöpfung des Filtermittels am Filtergerät anzuzeigen, damit er den erforderlichen Austausch des Filters vornimmt.

Bisher wurden folgende Konzepte verfolgt.

Bei gravitationsbetriebenen Filtervorrichtungen wird eine Zeitmessung durchgeführt, wie dies beispielsweise in der DE 198 19 098 A1 beschrieben wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass in dem gemessenen Zeitraum keinerlei Rückschlüsse über die tatsächlichen Wassermengen möglich sind, die durch den Filter gelaufen sind. Die Kapazität des Filtermittels kann daher bereits vor Ablauf der betreffenden Zeitspanne erschöpft sein, so dass bis zum Ablauf der Zeitspanne unter Umständen keine wirksame Filtration mehr durchgeführt werden kann. Dies wird vom Benutzer nicht bemerkt.

Ein anderer Ansatz, der auf Leitfähigkeitsmessungen des zu filtrierenden Wassers beruht, wird in DE 10 2005 035 045 A1 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur indirekten Messung der Erschöpfung eines Filtermittels von Filtern bereitzustellen, die einfach und kompakt aufgebaut ist, eine möglichst exakte Erfassung der Wassermenge erlaubt, betriebssicher ist und keinem Verschleiß unterliegt. Die Aufgabe bezieht sich auch auf die Bereitstellung eines entsprechendes Messverfahren.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur indirekten Messung der Erschöpfung des Filtermittels eines Filters gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine von der Flüssigkeit durchströmbare Messzelle, einen stabförmigen, eine Mantelfläche aufweisenden Messkopf, der senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit in der Messzelle angeordnet ist, wobei im Messkopf mindestens zwei Druckmesskanäle angeordnet sind, die in Messöffnungen in der Mantelfläche des Messkopfes münden, eine Druckmesseinrichtung, die an die Messkanäle angeschlossen ist, eine Auswerteeinrichtung, die an die Druckmesseinrichtung elektrisch angeschlossen ist, und die zur Ermittlung des Volumens V der

Flüssigkeit aus den Druckmesssignalen beginnend ab einem Zeitpunkt t ₀ , an dem der Filter in Betrieb genommen wird, über eine Zeitspanne t sowie zum Vergleichen des Volumens V mit dem Maximalvolumen V _m ausgebildet ist und eine Anzeigeeinrichtung, die elektrisch an die Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

Die Vorrichtung und das Verfahren basieren auf dem Prinzip der so genannten Prandtlsonde, die eine Kombination aus Pitotrohr und statischer Drucksonde darstellt. Das Prandtlrohr, das sich parallel zur Strömungsrichtung erstreckt, besitzt anströmseitig an seiner Rohrspitze eine Messöffnung zur Messung des Gesamtdruckes PQ und ringförmig in einem Abstand zur Rohrspitze seitliche Bohrungen für die statische Druckmessung Ps.

Nach dem Gesetz von Bernoulli entspricht die Differenz der beiden Drücke PG und Ps dem Staudruck oder dynamischen Druck P ₀ :

p _ p _ p - E . _v ²

wobei p die Dichte der Flüssigkeit und v die Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet, die je nach Einbaulage der Messvorrichtung auch mit einem Korrekturfaktor versehen sein kann. Hieraus folgt:

Der Volumenstrom Q errechnet sich mit dem Strömungsquerschnitt A aus

- A -

woraus sich das Volumen V über eine Zeitspanne t beginnend ab einem Zeitpunkt t ₀ wie folgt errechnet:

Ein stabförmiger Messkopf, der senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit angeordnet ist, ist kompakt und benötigt innerhalb des Strömungsquerschnitts keine eigene Haltevorrichtung, die möglicherweise die Strömung nachteilig beeinflusst. Ein Stab hat den Vorteil, dass er einen durchgängigen konstanten Querschnitt aufweist, so dass die Aufnahmeöffnung in der Messzelle an den Querschnitt angepasst werden kann und eine einfache Montage durch Einstecken des Messkopfes in die Messzelle erreicht werden kann. Ein stabförmiger Messkopf ist sowohl fertigungstechnisch vorteilhaft als auch montagefreundlich.

Die Druckmesskanäle können auf einfache Weise, beispielsweise durch Bohrungen, in dem aus massivem Material bestehenden Messkopf hergestellt werden.

Der Stab kann beispielsweise aus einen Strangprofil aus Kunststoff o- der Metall gefertigt werden, wobei über die Länge des Stabes eine Anpassung an den betreffenden Strömungsquerschnitt, in den der Stab eingesetzt wird, vorgenommen werden kann.

Vorzugsweise erstreckt sich der stabförmige Messkopf durch den gesamten Querschnitt der Messzelle. Der Strömungsquerschnitt wird dadurch in zwei gleich große Flächenabschnitte unterteilt.

Die Messzelle wird vorzugsweise durch ein Trägerrohr gebildet, das z. B. in eine Wasserleitung einbaubar ist. Ein solches Trägerrohr ist daher mit entsprechenden Anschlussmitteln versehen.

Zum Einstecken des stabförmigen Messkopfes weist das Trägerrohr eine entsprechende, vorzugsweise eine an den Querschnitt des Messkopfes angepasste, Aufnahmeöffnung auf.

Das Trägerrohr kann eine Montageplattform aufweisen, die vorzugsweise über Befestigungsmittel für den Messkopf verfügt. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, wenn der Messkopf an einen Grundkörper befestigt ist, der beim Einstecken des Messkopfes auf der Montageplattform aufliegt und dort fixiert werden kann.

Der Grundkörper ist darüber hinaus vorzugsweise auch zur Aufnahme der Druckmesseinrichtung ausgebildet.

Vorzugsweise sind in der Mantelfläche des stabförmigen Messkopfes mindestens zwei Messöffnungen unter einem Winkel von 90° angeordnet.

Es hat sich gezeigt, dass bei einer exakten Montage des Messkopfes in der Messzelle zwei Messöffnungen und damit zwei Druckmesskanäle ausreichen. Ein erster Druckmesskanal mündet anströmseitig in die Mantelfläche und dient zur Messung des Gesamtdrucks PQ. Eine in derselben Querschnittsebene liegende zweite Messöffnung, die zur Messöffnung des ersten Druckmesskanals um 90° versetzt angeordnet ist, ist für die Messung des statischen Drucks Ps vorgesehen.

Um die Genauigkeit der Messung des statischen Drucks Ps zu verbessern, kann auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Messöffnung in der Mantelfläche ein weitere zweite Messöffnung vorgesehen sein,

die ebenfalls unter einem Winkel von 90° zu der ersten Messöffnung angeordnet ist. Eventuelle Einbautoleranzen des stabförmigen Messkopfes bzw. der Aufnahmeöffnung lassen sich auf diese Weise messtechnisch berücksichtigen.

Ein Stab hat den weiteren Vorteil, dass ihm auf einfache Weise ein strömungsgünstiges Profil verliehen werden kann, so dass der zu messende Volumenstrom mit wenig Druckverlust gemessen werden kann.

Vorzugsweise weist der stabförmige Messkopf einen zylindrischen Querschnitt auf.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen betreffen einen tropfenförmigen Querschnitt, einen ovalen Querschnitt oder einen elliptischen Querschnitt.

Bei den ovalen oder elliptischen Querschnitten ist die erste Messöffnung im Scheitel des stark gekrümmten Umfangsabschnittes und eine zweite Messöffnung im Scheitel des schwach gekrümmten Umfangsab- schnitts des stabförmigen Messkopfes angeordnet.

Die Druckmesseinrichtung kann eine Differenzdruckmesseinrichtung sein, wobei die Differenz der beiden Drücke in den ersten und zweiten Druckmesskanälen ermittelt wird.

Gemäß einer Alternative kann die Druckmesseinrichtung auch mindestens zwei Druckmesssensoren umfassen, die ebenfalls am Ausgang der Druckmesskanäle angeordnet sind.

Die Auswerteeinrichtung kann am oder im Grundkörper angeordnet sein.

Die Auswerteeinrichtung kann aber auch räumlich entfernt vom Körper angeordnet sein und über Kabel, Funk oder dergleichen mit der Druckmesseinrichtung verbunden sein.

Die Anzeigeeinrichtung und die Auswertereinrichtung können eine integrierte Einrichtung bilden. Es wird dadurch möglich, unmittelbar an der Auswerteeinrichtung das Messergebnis abzulesen.

Wenn es aus einbautechnischen Gründen nicht möglich ist, die Anzeigeeinrichtung und die Auswerteeinrichtung an einem Ort unterzubringen, kann auch die Anzeigeeinrichtung entfernt von der Auswerteeinrichtung angeordnet sein und über Kabel, Funk oder dergleichen mit der Auswerteeinrichtung verbunden sein.

Vor der Messzelle kann vorzugsweise ein Leitkörper angeordnet sein. Dieser Leitkörper hat die Aufgabe, die Flüssigkeitsströmung zu vergleichmäßigen. Turbulenzen oder dergleichen werden durch den Leitkörper aufgelöst, wodurch das Messergebnis verbessert wird.

Das Verfahren zur indirekten Messung der Erschöpfung eines Filtermittels eines Filters, wobei die Erschöpfung nach Durchströmung eines Maximalstroms V _m der Flüssigkeit eintritt, ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Prinzip einer Prandtlsonde der Volumenstrom Q der Flüssigkeit gemessen wird, dass aus dem Volumenstrom Q beginnend ab einem Zeitpunkt to, in dem der Filter in Betrieb genommen wird, über die Zeitspanne t das Volumen V der Flüssigkeit ermittelt und das Volumen V laufend mit dem Maximalvolumen V _m verglichen wird und das spätestens bei Erreichen des Maximalvolumens V _m das Vergleichsergebnis angezeigt wird.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Volumenstroms Q der statische Druck Ps an mindestens zwei Messstellen gemessen. Diese beiden Messstellen werden durch die beiden zweiten Messöffnungen gebildet.

Bei Erreichen des Maximalvolumens V _m wird das Vergleichsergebnis optisch und/oder akustisch angezeigt.

Es ist auch möglich, bis zum Erreichen des Maximalvolumens das jeweilige Restvolumen zur Anzeige zu bringen.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine in eine Wasserleitung eingebaute Messvorrichtung,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung,

Figur 3 eine Explosionsdarstellung der Messvorrichtung,

Figur 4 eine Seitenansicht der Messvorrichtung,

Figur 5 einen Schnitt durch die in der Figur 4 gezeigte

Messvorrichtung längs der Richtung V-V,

Figur 6 eine Seitenansicht der Messvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Figur 7 einen Schnitt durch die in der Figur 6 gezeigte

Messvorrichtung längs der Linie VII-VII,

Figur 8 einen Schnitt durch den Messkopf der Figur 5 längs der Linie VIII-VIII,

Figuren 9 und 10 Schnitte durch einen Messkopf gemäß zweier weiterer Ausführungsformen.

In der Figur 1 ist eine Wasserleitung 2 dargestellt, in die eine Messvorrichtung 1 und ein Filter 3 in Form einer Filterkartusche eingebaut sind. Die Wasserleitung 2 weist zwei Rohrabschnitte 2a, 2b auf, zwischen denen ein Trägerrohr 22 angeordnet ist, das eine Messzelle 20 beinhaltet. Auf dem Trägerrohr 22 ist ein Grundkörper 4 zu sehen, an dem ein Messkopf 6 angeordnet ist, der in das Trägerrohr 22 hineinragt. Der Messkopf 6 ist in der Figur 1 nicht zu sehen. Auf dem Grundkörper 4 befindet sich die Auswerteeinrichtung 30, die mit einer Anzeigeeinrichtung 32 kombiniert ist.

Zwischen den Rohrabschnitten 2b und 2c ist der Filter 3 eingebaut, der ein nicht dargestelltes Filtermittel aufweist. Das durch den Rohrabschnitt 2b einströmende Wasser wird im Filter behandelt und verlässt den Filter 3 als gefiltertes Wasser durch den Rohrabschnitt 2c. Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Die Messvorrichtung 1 ist somit dem Filter 3 vorgeschaltet und ermittelt das Volumen V der durch den Filter strömenden Flüssigkeit.

In der Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung der Messvorrichtung 1 aus der Figur 1 dargestellt. Das Trägerrohr 22 ist im Mittelteil quaderförmig ausgebildet und beinhaltet dort die Messzelle 20. Ferner besitzt das Trägerrohr 22 einen überwurfring 27 sowie ein Außengewinde 26 zum Einbau in die Wasserleitung. Die Anzeigeeinrichtung 32 umfasst ein Display 33, auf dem beispielsweise das Restvolumen oder das Erreichen des Maximalvolumens V _m angezeigt werden kann.

In der Figur 3 ist eine Explosionsdarstellung der Messvorrichtung 1 zu sehen. Das Trägerrohr 22 besitzt am einlaufseitigen Ende einen Leitkörper 25, der aus einer kreuzförmigen Stegstruktur besteht, um die Strömung der Flüssigkeit zu vergleichmäßigen. Der quaderförmige Mitttelteil des Trägerrohrs 22 ist an seiner Oberseite als Montageplattform 23 ausgebildet. Mittig ist eine ovale Aufnahmeöffnung 24 vorgesehen, die von einer Ringnut 29 umgeben ist. Ferner befinden sich in der Montageplattform 23 insgesamt vier Gewindebohrungen 28.

Die eigentliche Messeinrichtung 5 weist den Grundkörper 4 mit dem Messkopf 6 auf, der als Stab ausgebildet ist. Diese Messeinrichtung 5 wird mit dem Messkopf 6 in die Aufnahmeöffnung 24 des Trägerrohrs 22 eingesteckt, bis die Unterseite des Grundkörpers 4 auf der Oberseite der Montageplattform 23 aufliegt.

Der Grundkörper 4 nimmt die Druckmesseinrichtung 40 auf, die mit dem im Innern des Messkopfes 6 befindlichen Druckmesskanälen (siehe Figur 5) in Verbindung steht. Die Druckmesskanäle, die in der Figur 3 nicht zu sehen sind, münden in den Messöffnungen 13 und 15 in der Mantelfläche 8 des Messkopfes 6. Die Details des Messkopfes 6 werden in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Außerdem umfasst die Messvorrichtung 1 die Auswerteeinrichtung 30, die an die Messeinrichtung 5, insbesondere an die Druckmesseinrichtung 40, elektrisch angeschlossen ist.

In der Figur 4 ist eine Seitenansicht der Messvorrichtung 1 dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Messkopf 6 sich innerhalb der Messzelle 20 durch den gesamten Strömungsquerschnitt erstreckt. Der Messkopf 6 unterteilt den Strömungsquerschnitt in die beiden Hälften mit den Querschnittsflächen A/2.

In der Figur 5 ist ein Schnitt durch die in der Figur 4 gezeigte Messvorrichtung 1 längs der Linie V-V dargestellt. Der Messkopf 6 befindet sich in der Aufnahmeöffnung 24, deren Innenabmessungen an die Außenkontur des Messkopfes 6 angepasst sind. Der Messkopf 6 erstreckt sich durch den gesamten Strömungsquerschnitt und ragt in eine innen in Tragrohr 22 befindliche Ausnehmung 21. Die Stirnfläche 9 des Messkopfes liegt somit innerhalb der Ausnehmung 21.

Anströmseitig ist die erste Messöffnung 13 angeordnet, durch die der Druckmesskanal 12 mit den horizontalen und vertikalen Kanalabschnitten 12a, 12b in die Mantelfläche 8 des Messkopfes 6 mündet. Der Messkanal 12 dient zur Messung des Gesamtdruckes PQ.

Zur Messung des statischen Druckes Ps ist ein zweiter Druckmesskanal 14 vorgesehen, der ebenfalls aus einem horizontalen und einem vertikalen Kanalabschnitt 14a, 14b besteht. Der Kanalabschnitt 14b mündet über die Messöffnung 15 (nicht dargestellt) in die Mantelfläche 8 des Messkopfes 6. Die beiden Kanalabschnitte 12a und 14a sind im rechten Winkel zueinander angeordnet.

Nach oben schließt sich der Grundkörper 4 an, der im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist und einen Innenraum 45 aufweist, der von der Umfangswand 44 und der Bodenwand 43 umschlossen ist. Im Innenraum 45 befindet sich die Druckmesseinrichtung 40 bestehend aus den beiden Druckmesssensoren 41 und 42, die an die jeweiligen Messkanäle 12 und 14 angeschlossen sind. Der Grundkörper 4 liegt auf der Montageplattform 23 auf und wird mittels eines in der Ringnut 29 befindlichen Dichtring abgedichtet.

In den Figuren 6 und 7 sind die zu den Figuren 5 und 6 entsprechenden Darstellungen einer weiteren Ausführungsform zu sehen. Im Unterschied zu den Figuren 4 und 5 erstreckt sich der Messkopf 6 nicht voll-

ständig durch den Strömungsquerschnitt. Die Stirnfläche 9 ist beabstandet zur Rohrinnenwand des Trägerrohrs 22 angeordnet.

In der Figur 8 ist der ovale Querschnitt längs der Linie VIII-VIII des in Figur 5 gezeigten Messkopfes 6 dargestellt. Der Schnitt liegt in der E- bene der horizontalen Kanalabschnitte 12a, 14a. Es ist zu sehen, dass die Kanalabschnitte 12a, 14a bzw. die entsprechenden Messöffnungen 13 und 15 in einem rechten Winkel zueinander liegen. Die Strömungsrichtung ist in dieser Figur wie auch in anderen Figuren durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die erste Messöffnung 13 befindet sich im Scheitelpunkt 7a des stark gekrümmten Umfangsabschnittes 8a, während die zweite Messöffnung 15 im Scheitelpunkt 7b des schwach gekrümmten Umfangsabschnittes 8b angeordnet ist.

In der Figur 9 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der gegenüberliegend zur zweiten Messöffnung 15 eine weitere zweite Messöffnung 17 mit einem entsprechenden Kanalabschnitt 16a des Druckmesskanals 16 angeordnet ist. Da der Kanalabschnitt 16a in den Kanalabschnitt 14a mündet, besteht der Druckmesskanal 16 in der Ausführungsform lediglich aus dem Kanalabschnitt 16a. Die beiden Druckmesskanäle 14 und 16 dienen beide zur Messung des statischen Druckes Ps, wobei aus der Druckdifferenz ein Versatz des Messkopfes 6 innerhalb der Messzelle erfasst werden kann, der beispielsweise auf Toleranzen zurückzuführen ist. über einen entsprechenden Korrekturfaktor, kann die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend korrigiert werden.

In der Figur 10 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der der Querschnitt tropfenförmig ausgebildet ist.

Bezugszeichenliste

Messvorrichtung

Wasserleitung a, b, c Wasserrohr

Filter

Grundkörper

Messeinrichtung

Messkopf a, b Scheitel

Mantelfläche a stark gekrümmter Umfangsabschnittb schwach gekrümmter Umfangsabschnitt

Stirnfläche 2 erster Druckmesskanal 2a, b Kanalabschnitt 3 erste Messöffnung 4 zweiter Druckmesskanal 4a, b Kanalabschnitt 5 zweite Messöffnung 6 dritter Druckmesskanal 6a Kanalabschnitt 7 zweite Messöffnung 0 Messzelle 1 Ausnehmung 2 Trägerrohr 3 Montageplattform 4 Aufnahmeöffnung 5 Leitkörper 6 Außengewinde

Uberwurfring

Gewindebohrung

Ringnut

Dichtring

Auswerteeinrichtung

Anzeigeeinrichtung

Display

Druckmesseinrichtung

Druckmesssensor

Druckmesssensor

Bodenwand

Umfangswand

Innenraum