DE102012011417A1 - Flow meter for water tap in wash basin, has electronic circuit with output device that is connected to piezoelectric film, where value for flow rate depending on electrical current generated by film is specified by output device - Google Patents
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- E03B7/072—Arrangement of flowmeters
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a flow meter according to the preamble of claim 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.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. In addition, 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, a considerable outlay is associated with the installation of conventional flowmeters in the dwellings or even in individual rooms with removal points.
Aus der
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.The invention has for its object to provide a flow meter with which 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.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.This object is achieved by a device having the features specified in the characterizing part of claim 1 in conjunction with its preamble features.
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.The flowmeter according to the invention is not only the consumption of a liquid, z. As water, but can also be used to determine the flow rates of gases. In this respect, 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.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit einer PVDF-Folie, die ringförmig im Bereich des Auslasses von einem mit Flüssigkeit oder Gas durchströmten Gehäuse, 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.The invention is based on the finding that with a PVDF film which is annular in the region of the outlet of a liquid or gas flowed through the housing, in particular a valve, an electric power is generated in an amount which in a known manner approximately in the 3. Potency 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.
Die Erfindung beruht auch auf dem Gedanken, eine Wassermengenmessung an allen Zapfstellen zu ermöglichen, ohne dass größere Umbauten erforderlich sind.The invention is also based on the idea of making it possible to measure the amount of water at all tapping points without requiring major modifications.
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 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.For the generation of electrical energy, it is sufficient if the PVDF film is mechanically deformed by the liquid or gas flowing through the fitting due to the pipe friction and the associated vortex formation. The degree of electrical power generated in this case is dependent on the flow rate and thus the flow rate in approximately the 3rd power.
Um die Energie aus der Strömung zu gewinnen bzw. zu generieren, wird im Grunde das Vortex-Prinzip in Kombination mit piezoelektrischen Materialien eingesetzt.In order to gain or generate the energy from the flow, basically the vortex principle is used in combination with piezoelectric materials.
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.If the pipe friction is not sufficient as a "disruptive body", so of course it is possible, for. B. in the area of the pipe wall in the vicinity of the annular PVDF film, to provide artificial obstacles that encourage vortex formation.
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.By the invention can be dispensed with a battery, which has two major disadvantages. On the one hand, it is relatively large, so that very small dimensions of a flow meter are not possible, and on the other hand, the battery must be replaced after a certain time, which requires a waterproof battery compartment, or even the entire sensor must be replaced.
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.The flow meter according to the invention is a simple retrofitting, z. B. in the aerator of a faucet or installation in a supply line, possible. 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.
Der Durchflussmesser kann an einer Auslassöffnung einer Sanitärarmatur angeordnet sein. Dadurch kann an jeder Zapfstelle ohne eine Leitungsauftrennung ein Durchflussmesser montiert werden.The flow meter may be arranged at an outlet opening of a sanitary fitting. As a result, a flow meter can be mounted at each tap without a cable disconnection.
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 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 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 vom Durchfluss verändert wird. Diese Veränderung findet nur dann statt, wenn Wasser durch den Sensor fließt.It is possible that additional external energy is provided by a high-frequency circuit comprising a high-frequency receiving unit with an antenna, and converts an external transmission signal according to the RFID principle into electrical energy for supplying the electronic circuit. If the generated energy in the sensor is not sufficient to actively generate a sufficiently strong high-frequency signal, a passive technology known from RFID technology can be used Procedures are applied. 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 received signal is constant. This condition can be filtered out by a bandpass filter. The sensor is a tuned to the frequency antenna whose impedance z. B. via a transistor or a capacitance diode of the voltage which is generated by the piezoelectric element so the PVDF film is changed depending on the flow. This change only takes place when water flows through the sensor.
Diese Veränderung der Antennenimpedanz führt dazu, dass die am Empfänger ankommende Signalstärke (minimal) variiert. Diese 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.This change in antenna impedance causes the signal strength arriving at the receiver to vary (minimally). These variations in signal strength can be demodulated by a suitable filter, the resulting signal corresponding to the vortex signal, as if there were no radio channel. Again, an existing electronics can be used.
Eine leitungsgebundene Signalübertragung über vorhandene Kupferrohre ist auch denkbar.A cable-bound signal transmission via existing copper pipes is also conceivable.
Es kann angenommen werden, dass die z. B. von der PVDF-Folie erzeugte Energie ausreichend ist, um ein Funksignal zu erzeugen, das ein 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.It can be assumed that the z. B. energy generated by the PVDF film is sufficient to produce a radio signal that can still reliably detect a receiver. This makes possible a simple system consisting of a unit for generating energy, a threshold detector and a high-frequency circuit including an antenna. 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. Since only a limited amount of energy has been transferred into the resonant circuit, only a short pulse is generated. This process is repeated periodically so that a flow rate dependent number of high frequency pulses per unit of time is generated.
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.These pulses can then be received by another antenna in a stationary unit and demodulated and filtered via a simple circuit. The resulting signal consists of individual square pulses, which can be evaluated by the known vortex electronics without any further effort. The vortex electronics may include or control a display unit.
Mit einer stationären Einheit können auch mehrere Sensoren erfasst werden, wenn jedem Sensor eine eigene Trägerfrequenz für das Funksignal zugeordnet wird.With a stationary unit and multiple sensors can be detected when each sensor is assigned its own carrier frequency for the radio signal.
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.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.
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.It is also possible that 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.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebes ist vorgesehen, dass die PVDF-Folie mehrfach gefaltet ist. Hierdurch ist es möglich, eine größere Energie zu gewinnen, sodass eine Auswerteelektronik unempfindlicher gegen äußere Störgrößen ist.In an advantageous embodiment of the drive according to the invention it is provided that the PVDF film is folded several times. This makes it possible to gain greater energy, so that an evaluation is less sensitive to external disturbances.
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.In a further advantageous embodiment of the invention, 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.
Für die dezentrale Erfassung des Wasserverbrauchs ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse Teil einer Sanitärarmatur ist. Ein Nachrüsten solcher Wasserzähler ist einfach und kostengünstig.For the decentralized detection of water consumption, it is advantageous if the housing is part of a sanitary fitting. Retrofitting such water meters is easy and inexpensive.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der PVDF-Folie ein Störkörper im Gehäuse angeordnet ist. Durch eine verstärkte Wirbelbildung werden die Sensoreigenschaften verbessert.A particularly preferred embodiment of the invention is characterized in that a disruptive body is arranged in the housing in the region of the PVDF film. Increased vortex formation improves the sensor properties.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen nachstehend beispielhaft näher erläutert. The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, like parts are given the same reference numerals.
Der durch die PVDF-Folie F (Polyvinylidenfluorid) ausgeführte Sensor
Polyvinylidenfluorid (C2H2F2) ist ein teilkristallines Polymer, das mithilfe eines Polungsprozesses piezoelektrische Eigenschaften erhält. Dieses 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:
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 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.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 film. 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 involves stretching the film and causing the lamellae and thus the dipole moments to be perpendicular to the film plane and contributes to the phase transformation from non-polar to polar phases within the lamellae. Then, in a further process step, the film on z. B. 80-130 ° C heated and applied an electric field. This remains on until the film has cooled. Here, the individual polar lamellae align themselves along the field, ie perpendicular to the plane. After cooling, the film has the desired piezoelectric properties.
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
The pipe wall of in
Die mit dem Sensor
Der für die Versorgung der elektronischen Schaltung erforderliche Strom I wird durch die PVDF-Folie F (Sensor
Die Stromversorgung umfasst quasi eine Energiegewinnungseinheit (Piezoelement
Die externe Energie ist eine nach dem Vortex-Verfahren gewonnene Energie des Wasserdurchflusses der Sanitärarmatur
Diese Vortex-Generatoren (
Die elektronische Schaltung
Durch die Resonanz des Kreises K3 wird ein Hochfrequenzsignal z. B. HF1 oder Z. B. HF3 erzeugt, der vom Empfänger
Der zweite Kreis
Die Kreise K1 bis K3 bilden quasi eine Ausgabeeinheit. Die mit dem Sensor
Die in
Der Empfänger
Das vom Sensor
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
Die Durchflussmessereinheit
Die stationäre Einheit
Das Beispiel beschreibt auch ein Verfahren zur Wassermengenmessung mit einem Durchflussmesser.The example also describes a method of measuring water flow with a flow meter.
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.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.
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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sanitärarmaturplumbing fixture
- 22
- DurchflusssensorFlow Sensor
- 2'2 '
- Elektronische SchaltungElectronic switch
- 2''2 ''
- DurchflussmessereinheitFlowmeter unit
- 3'3 '
- Empfängerreceiver
- 3''3 ''
- Stationäre EinheitStationary unit
- 44
- Auswerteelektronikevaluation
- 55
- DurchflussmesserFlowmeter
- 66
- Gehäusecasing
- 77
- Auslauföffnungoutlet opening
- 88th
- Außengewindeexternal thread
- 1010
- Platinecircuit board
- 1111
- Ausgabeeinheitoutput unit
- 1212
- Sendeeinheittransmission unit
- 1313
- Piezoelementpiezo element
- 1414
- Störkörperdisturbing body
- 1515
- Sensorelementsensor element
- 1616
- Wirbelwhirl
- 1717
- Sendeantennetransmitting antenna
- 1818
- Empfangsantennereceiving antenna
- 2020
- Erste AntenneFirst antenna
- 2121
- Sendertransmitter
- 2222
- Zweite AntenneSecond antenna
- 2323
- Dritte AntenneThird antenna
- 2424
- Empfängerreceiver
- 2525
- WarmwasserzuleitungHot water supply
- 2626
- KaltwasserzuleitungCold water supply line
- S1, S2S1, S2
- Sägezahnimpulsesawtooth
- HF1, HF2HF1, HF2
- hochfrequente Schwingungenhigh-frequency vibrations
- FF
- Filterfilter
- TRTR
- Transistortransistor
- T1–T3T1-T3
- Trafostransformers
- C1, C2C1, C2
- Kondensatorencapacitors
- D1–D3D1-D3
- Diodendiodes
- Z-DZ-D
- Zener-DiodeZener diode
- AA
- hoher Durchflusshigh flow
- BB
- niedriger Durchflusslow flow
- FF
- PVDF-FoliePVDF film
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 3328782 A1 [0003] DE 3328782 A1 [0003]
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2012
- 2012-06-08 DE DE201210011417 patent/DE102012011417A1/en not_active Withdrawn
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