"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 Q _N = 1 ,5 kann bei dem maximalen

Durchfluss Q _max = 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 Q _max 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.