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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser für ein Fluid (Strömungsmedium) mit einer pulsierenden Strömung.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Druckhalteventil, das einen solchen Durchflussmesser beinhaltet.
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Die unmittelbare Durchflussmessung von pulsierenden Strömungen ist oft fehlerbehaftet, weswegen in vielen Fällen Maßnahmen zu Dämpfung oder Auslöschung der Pulsationen vorgesehen werden. Solche Maßnahmen, wie der Einbau von Drosselventilen und Ausgleichsbehältern in die Fluidleitung, sind aufwendig und können auch unerwünscht sein, wenn z. B. die Pulsation des Fluids dazu dient, Ablagerungen in dem Leitungssystem zu vermeiden.
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Die meisten Pumpen erzeugen mehr oder weniger pulsierende Strömungen. Dies gilt insbesondere für Dosierpumpen, die in der Prozess- und Verfahrenstechnik zur Förderung und exakten Dosierung von fließfähigen Stoffen in einem weiten Druck- und Volumenstrombereich, z. B. von wenigen Millilitern im Laborbereich bis hin zu mehreren zehntausend Litern pro Stunde, eingesetzt werden.
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Bei den Dosierpumpen handelt es sich in der Regel um oszillierende Verdrängerpumpen, bei denen ein Verdränger, z. B. ein Kolben oder eine Membran, einen Arbeitsraum abwechselnd vergrößert und verkleinert. Beim Saughub des Verdrängers wird ein definiertes Volumen eines fließfähigen Stoffes, in der Regel eine Flüssigkeit, über ein Ansaugventil in den Arbeitsraum eingesaugt und beim Druckhub über ein Druckventil in eine Druck- oder Dosierleitung zu einer Verbrauchsstelle hin gedrückt. Für den Fall, dass auf der Druckseite nicht genügend Gegendruck für die Dosierpumpe vorhanden ist, kann dieser mittels eines Druckhalteventils innerhalb der Dosierleitung erzeugt werden. Der Verdränger kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise mittels eines Elektromagneten, mittels eines Motors, mittels Druckluft (pneumatisch) oder hydraulisch angetrieben werden. Hydraulische Antriebe wie z. B. hydraulisch angelenkte Membranpumpen (Kolben-Membranpumpen) kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn gegen hohe Drücke gefördert werden muss.
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Bei vielen Bauarten der Dosierpumpe, insbesondere bei Kolben-Dosierpumpen, ist der Förderstrom von dem Förderdruck kaum abhängig, und es besteht eine lineare Abhängigkeit des Förderstromes von der Hublänge und Hubfrequenz. Bei Membran-Dosierpumpen ist dagegen der Förderstrom wegen der elastischen Dosiermembran von dem Gegendruck abhängig. Die gilt z. B. auch für Pumpen mit pneumatischem Antrieb oder wenn die zu fördernde Flüssigkeit Gasblasen enthält.
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Aus der
DE 40 29 616 C2 ist es bekannt, die periodischen Druckschwankungen eines Strömungsmediums direkt im Auslassbereich der Dosierpumpe oder im auslassseitigen Leitungssystem mittels einer einen Piezoaufnehmer enthaltenden Druckmesseinrichtung zu erfassen. Die Druckmesseinrichtung ist an einer zur Steuerung der Pumpe dienenden Steuereinrichtung angeschlossen, die eine Zähleinrichtung zum Zählen der detektierten Pulse bzw. Pumpenhübe sowie einen Rechner enthält, der über die detektierte Pulszahl bzw. Pumpenhübe und unter Zugrundelegung der Fördermenge je Pumpenhub die Fördermenge der Pumpe ermittelt. Dabei wird offensichtlich davon ausgegangen, dass die Pumpenhübe konstant sind, was aber z. B. bei Dosierpumpen mit einstellbarer Hublänge und bei Membrandosierpumpen aufgrund der Elastizität der Dosiermembran nicht gegeben ist. Die ermittelte Fördermenge ist daher vergleichsweise ungenau.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energieautarke und genaue Durchflussmessung von pulsierenden Strömungen zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 definieren Durchflussmesser gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
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Ferner wird die Erfindung durch das in Anspruch 9 angegebene und einen solchen Durchflussmesser enthaltende Druckhalteventil gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Durchflussmesser für ein Fluid mit einer pulsierenden Strömung
- - mit einem Piezowandler zur Aufnahme und Umwandlung von Fluidpulsen in elektrische Impulse,
- - mit einer AC/DC-Umsetzerschaltung zum kumulativen Speichern der Impulsenergien der elektrischen Impulse in einem Energiespeicher,
- - mit einem Zähler zum Zählen der elektrischen Impulse während eines Zeitintervalls,
- - mit einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines für den Durchfluss bezeichnenden Impulsparameters mindestens eines der elektrischen Impulse und zur Ermittlung eines Durchflusswertes anhand der innerhalb des Zeitintervalls gezählten elektrischen Impulse und des ermittelten Impulsparameters,
- - mit einer Kommunikationseinrichtung zum Versenden des ermittelten Durchflusswertes und
- - mit einer Stromversorgungseinrichtung zur ausschließlichen Stromversorgung des Durchflussmessers mit der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Druckhalteventil, das einen solchen Durchflussmesser enthält, wobei der Piezowandler mit dem Schließkörper des Druckhalteventils verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße Durchflussmesser wird also autark aus der mittels des Piezowandlers in elektrische Energie umgesetzten kinetischen Energie der Fluidpulse versorgt. Die Durchflussmessung beruht nicht nur auf der Anzahl der detektierten Fluidpulse bzw. der detektierten Pumpenhübe sondern auch auf der bei jedem Fluidpuls bzw. Pumpenhub bewegten Fluidmenge, die durch die Energie der Fluidpulse repräsentiert wird bzw. mit dieser korreliert ist.
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Unter dem Begriff Fluidpulse sind Druck- und/oder Strömungspulse des Fluids zu verstehen. So kann der Piezowandler beispielsweise auf einem beweglichen Element, z. B. einem Biegeschwinger, in der Strömung angeordnet sein, wobei das Element mit dem Piezowandler durch die Strömungschwankungen in unterschiedliche Richtungen ausgelenkt wird. Vorzugsweise ist der Piezowandler außerhalb des strömenden Fluids zu Aufnahme von Druckpulsen angeordnet. Dazu kann der Piezowandler beispielsweise innerhalb einer Druckmessdose direkt oder über ein Kraftübertragungselement mit einer Membran verbunden sein, die den Piezowandler von dem Fluid trennt und durch die Druckpulse elastisch ausgelenkt wird. Grundsätzlich kann der Piezowandler an jedem Element oder Bauteil angeordnet sein, das durch die Druck- oder Strömungspulse des Fluids bewegt wird, also beispielsweise an dem Schließköper eines Druckhalteventils, das im Verlauf der Druckleitung hinter einer Pumpe liegt und zur Erzeugung eines Gegendrucks dient. Bei diesem genannten Beispiel ist also der Piezowandler in vorteilhafter Weise in einem Bauteil, hier dem Druckhalteventil, integriert, das in vielen Fällen ohnehin zur genauen Dosierung benötigt wird.
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Der erfindungsgemäße Durchflussmesser ist dazu ausgebildet, in einer ersten Phase in einem Zeitintervall die Fluidpulse bzw. die von dem Piezowandler erzeugten elektrischen Impulse zu zählen und gleichzeitig die Energie der einzelnen Pulse zu akkumulieren und zu speichern. Aus der Literatur ist eine Vielzahl unterschiedlicher AC/DC-Umsetzerschaltungen bekannt, um mittels eines Piezowandlers aus kinetischer Energie erzeugte elektrische Energie effektiv in einen Energiespeicher zu speichern. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um eine Gleichrichterschaltung mit nachgeordnetem Aufwärtswandler (Hochsetzsteller, Boost-Converter, Step-Up-Converter). Es sind für diesen Zweck auch passive Spannungsvervielfacher-Schaltungen bekannt. Als Energiespeicher kommen insbesondere ein Kondensator oder eine aufladbare Batterie infrage. Es ist auch möglich, zunächst den Kondensator aufzuladen und aus diesem die Batterie nachzuladen.
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Die für das Zählen der Impulse und die AC/DC-Umsetzung benötigte Energie ist minimal und erheblich geringer als die in der ersten Phase gesammelte Energie, so dass der Zähler und die AC/DC-Umsetzerschaltung permanent aktiv sein können.
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In einer zweiten Phase ermittelt die Auswerteeinrichtung anhand der innerhalb des vorangegangenen Zeitintervalls gezählten Impulse und eines für den Durchfluss bezeichnenden Impulsparameters mindestens eines der elektrischen Impulse einen Durchflusswert des Fluids. Dieser Durchflusswert kann in vorteilhafter Weise drahtlos, z. B. optisch (Infrarot) oder bevorzugt über Funk (WLAN, Bluetooth), an einen Empfänger übermittelt werden. Da die Auswerteeinrichtung und die Kommunikationseinrichtung für ihre Funktionen mehr Energie als der Zähler und die AC/DC-Umsetzerschaltung benötigen, sind sie vorzugsweise nur in der zweiten Phase aktiv und werden dann aus dem Energiespeicher mit der gespeicherten Energie autark versorgt. Eine leitungsgebundene Übertragung der ermittelten Durchflusswerte ist prinzipiell auch möglich, jedoch könnte dann der Durchflussmesser bei fester Verdrahtung auch über die Leitung mit der benötigten Energie versorgt werden. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßen Durchflussmesser in Form eines Datenloggers vorzusehen, bei dem sich der Benutzer zum Beispiel einen Totalizer-Wert über eine serielle Schnittstelle abholt.
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An die zweite Phase schließt sich wieder die erste Phase an, in der der Energiespeicher geladen wird und die elektrischen Impulse während eines Zeitintervalls gezählt werden, ohne dass nennenswert Energie durch die Auswerteeinrichtung und die Kommunikationseinrichtung entnommen wird.
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Das Zeitintervall, in dem die Impulse gezählt werden, kann auf unterschiedliche Weise festgelegt werden. So kann das Zeitintervall fest vorgegeben sein, so dass der an seinem Ende erreichte Zählerstand variabel ist. Im einfachsten Fall ist das Zeitintervall variabel und sein Ende durch den Zeitpunkt festgelegt, an dem der Zähler einen vorgegebenen Zählerstand erreicht, was natürlich auch die Möglichkeit beinhaltet, dass der Zähler von dem vorgegebenen Zählerstand aus rückwärts zählt. Der Zähler kann nach Ablauf des Zeitintervalls die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Durchflusswertes und die Kommunikationseinrichtung zum Versenden dieses Durchflusswertes aktivieren, wobei die Kommunikationseinrichtung auch durch die Auswerteeinrichtung aktiviert werden kann. Die ermittelten Durchflusswerte können jeweils sofort oder alternativ zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesendet werden, wobei sie im letztgenannten Fall zum Zeitpunkt ihrer Ermittlung mit einem jeweils aktuellen Zeitstempel versehen werden können. Der Zeitpunkt für das Senden der Durchflusswerte kann dann z. B. allein von der in dem Energiespeicher verfügbaren Energie abhängig gemacht werden.
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Die Stromversorgungseinrichtung kann eine Messeinrichtung zur Messung der in dem Energiespeicher aktuell gespeicherten Energie aufweisen und dazu ausgebildet sein, die Auswerteeinrichtung und/oder Kommunikationseinrichtung solange zu deaktivieren bzw. ihre Aktivierung durch den Zähler zu verhindern, wie die gespeicherte Energie den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. So kann der Zähler zurückgesetzt und ein neues Zeitintervall zum Zählen der Impulse gestartet werden, wenn bei Ablauf des aktuellen Zeitintervalls die verfügbare Energie für die Ermittlung und das nachfolgende Versenden des Durchflusswertes nicht ausreicht. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden bzw. die erste Phase kann solange verlängert werden, bis beim Ablauf des Zeitintervalls bzw. Erreichen des vorgegebenen Zählerstandes die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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Wie bereits erwähnt, beruht die Ermittlung des Durchflusswertes auch auf einem für den Durchfluss bezeichnenden Impulsparameter mindestens eines der gezählten elektrischen Impulse. Als durchflussrelevanter Impulsparameter kann der Energieeintrag eines oder mehrerer elektrischen Impulse in den Energiespeicher herangezogen werden. Dabei entspricht zum Beispiel der Energieeintrag aller gezählten elektrischen Impulse der innerhalb des Zeitintervalls in dem Energiespeicher akkumulierten Energie. Diese Energiezunahme kann bei einem Energiespeicher in Form eines Kondensators mit bekannter Kapazität unmittelbar durch Messen der Spannungserhöhung an dem Kondensator zwischen Anfang und Ende des Zeitintervalls ermittelt werden. Wie oben bereits erwähnt, kann der Kondensator, beispielsweise über einen DC-DC-Wandler, in eine aufladbare Batterie oder einen anderen Energiespeicher umgeladen werden. Wenn dies vor Beginn eines jeden neuen Zeitintervalls für das Zählen der Impulse erfolgt, kann der Kondensator am Anfang jedes Zeitintervalls jedes Mal in denselben definierten Ladezustand versetzt werden, so dass eine Spannungsmessung nur noch am Ende des Zeitintervalls erforderlich ist und wenn gleichzeitig die in der Batterie gespeicherte Energie zum Betreiben der Auswerteeinrichtung ausreicht. Die Spannungsmessung kann durch die aktivierte Auswerteeinrichtung erfolgen.
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Als Alternative zu der Ermittlung des Energieeintrags der elektrischen Impulse in den Energiespeicher kann als durchflussrelevanter Impulsparameter die Dauer, Höhe und/oder Fläche des mindestens einen elektrischen Impulses ermittelt werden. Ist das Zeitintervall, in dem die Fluidpulse bzw. Pumpenhübe gezählt werden, hinreichend kurz, so dass der Durchfluss innerhalb dieses Zeitintervalls als konstant angenommen werden kann, genügt es den Impulsparameter nur eines oder weniger elektrischer Impulse repräsentativ für alle gezählten Impulse zu ermitteln.
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Es besteht auch die Möglichkeit, die durchflussrelevanten Impulsparameter in dem Zeitintervall zu ermitteln, während die einzelnen elektrischen Impulse gezählt werden. Voraussetzung dafür ist lediglich, dass in dem Energiespeicher ausreichend Energie für die Auswerteeinrichtung zur Verfügung steht. Das ist in der Regel dann der Fall, wenn Messpausen erlaubt oder vorgegeben werden, die nur zur Aufladung des Energiespeichers mit den aus den Fluidpulsen erzeugten elektrischen Impulsen dienten. Es ist auch möglich, auf Messpausen zwischen den Zeitintervallen zu verzichten und in einem ersten Teil des Zeitintervalls nur die elektrischen Impulse zu zählen und in dem zweiten Teil die elektrischen Impulse zu zählen und ihre Impulsparameter zu ermitteln.
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In vielen Fällen lässt sich die Durchflussmenge des pulsierenden Fluids nur indirekt aus der Anzahl der Fluidpulse bzw. Pumpenhübe und den die Energien der Fluidpulse repräsentierenden Impulsparametern der elektrischen Impulse bestimmen, weil unbekannte Faktoren wie Alterungsprozesse der Energiespeicher, Temperaturabhängigkeiten, Gegendruck in dem Fluidsystem die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Es wird daher in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, in der zweiten Phase (jedoch nicht notwendigerweise in jeder zweiten Phase) weitere Messungen durchzuführen, um regelmäßig Korrekturwerte zu ermitteln. Dazu kann der erfindungsgemäße Druckmesser einen bis mehrere Sensoren zu Erfassung einer für den Durchfluss des Fluids relevanten Messgröße wie z. B. Temperatur oder Druck aufweisen. Mit Hilfe der Korrekturwerte kann die indirekt gemessene Durchflussmenge des letzten Zyklus oder die folgender Zyklen korrigiert werden. Die Abstände zwischen den zusätzlichen Messungen sind vorzugsweise nur wenige Minuten oder Stunden lang, so dass in dieser Zeit von keiner nennenswerten Alterung, Prozessdruck- oder Temperaturveränderung ausgegangen werden muss. Die korrigierten Durchflusswerte sind damit stets hinreichend genau und erfassen zudem noch lückenlos den Durchfluss.
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Das Erfordernis der Korrektur entfällt in vorteilhafter Weise, wenn der Piezowandler an den Schließkörper eines Druckhalteventils gekoppelt ist und die Bewegung des Schließkörpers erfasst. Der Schließkörper des Druckhalteventils wird nämlich nur dann aus der Schließposition bewegt, wenn das Fluid beim Druckhub der fördernden Pumpe tatsächlich fließt, wobei die Öffnung (der Öffnungsbetrag) des Druckhalteventils proportional zum Druck des Fluids bzw. zum Druckhub der Pumpe ist. Ventilhub und Öffnungsdauer des Druckhalteventils geben somit exakt die Dosiermenge des Fluids wieder, weswegen Gasblasen im Fluid, Leckagen in der Druckleitung, Änderungen des Dosierhubs durch Verstellung der Hublänge oder ein sich ändernder Gegendruck auf der von der Pumpe abgewandten Seite des Druckhalteventils keinen Einfluss auf die Genauigkeit der weiteren Messung haben. Da das Druckhalteventil im Normalfall so ausgelegt ist, dass es bei Druckhub der Pumpe vollständig bis zum Anschlag öffnet, ist die Öffnungsdauer des Druckhalteventils unmittelbar proportional zur Dosiermenge des Fluids, so dass die Ermittlung der Öffnungsdauer zur Bestimmung des Durchflusses ausreicht. Ist der Normalfall nicht gegeben, so kann zusätzlich zur Öffnungsdauer auch der Öffnungshub des Schließkörpers ermittelt werden. Öffnungsdauer und Öffnungshub ergeben zusammen den Öffnungsbetrag und werden anhand der Dauer und der Höhe (Peak) der elektrischen Impulse zu ermittelt.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 den erfindungsgemäßen Durchflussmesser mit einem Piezowandler zur Erfassung von Strömungspulsen in einem Fluid mit pulsierender Strömung,
- 2 den erfindungsgemäßen Durchflussmesser, bei dem der Piezowandler Bestandteil eines Druckmessers zur Erfassung von Druckpulsen in dem Fluid ist,
- 3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflussmessers, bei dem der Piezowandler die Druckpulse an einer Fluidleitung erfasst,
- 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflussmessers, bei dem der Piezowandler Bestandteil eines Druckhalteventils ist,
- 5 ein erstes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessers und
- 6 ein weiteres Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessers,
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihren Ausführungen nicht auf die in den Figuren dargestellten, bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten denkbar, welche in der dargestellten Lösung von dem Grundgedanken der Erfindung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungsformen Gebrauch machen.
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1 zeigt ein erstes Beispiel für den erfindungsgemäßen Durchflussmesser 1 mit einem Piezowandler 2, der auf einem beweglichen Element 3, hier z. B. in Form eines Biegeschwingers, in einer Fluidleitung 4 angeordnet ist, durch die ein Fluid oder Strömungsmedium 5 mit pulsierender Strömung fließt. Der Piezowandler 2 ist an einer Elektronik 6 angeschlossen, die weiter unten anhand von 5 und 6 näher erläutert wird und dazu ausgebildet ist, aus den mit dem Piezowandler 2 erfassten Strömungspulsen den Durchfluss des Fluids 5 zu ermitteln und die dabei erhaltenen Durchflussmesswerte über eine Funkverbindung (Antenne 7) an einen hier nicht gezeigten Empfänger, z. B. eine Steuerung für eine das Fluid fördernde Pumpe oder ein Leitsystem einer die Fluidleitung 4 enthaltenden Industrieanlage, zu senden. Die Kommunikation kann, z. B. nach dem Bluetooth-Standard, einem NFC- (Near Field Communication-) Standard, WLAN-Standard oder einem Mobilfunkstandard erfolgen. Es ist natürlich auch möglich, die Druckmesswerte auf andere Weise, z. B. über eine Infrarot-Schnittstelle, drahtlos zu übertragen. Die Elektronik 6 ist weiterhin zur Selbstversorgung des Durchflussmessers 1 aus der Energie der erfassten Strömungspulse ausgebildet.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1, bei dem der Piezowandler 2 Bestandteil eines Druckmessers 8 ist, der die von dem pulsierend strömenden Fluid 5 erzeugten Druckpulse erfasst. Der Druckmesser 8 ist in Form einer Druckmessdose ausgebildet, die an der Fluidleitung 4 angeschlossen ist und deren Inneres gegenüber dem Fluid 5 durch eine flexible Membran 9 abgeschlossen ist. Die Druckpulse in der Fluidleitung 4 führen zu Auslenkungen bzw. Verformungen der Membran 9, welche von dem innerhalb der Druckmessdose auf der Rückseite der Membran 9 angeordneten Piezowandler 2 erfasst werden. Die Elektronik 6 und ggf. die Antenne 7 können gemeinsam mit dem Piezowandler 7 in der Druckmessdose 8 angeordnet sein. Die Elektronik 6 und ggf. die Antenne 7 können aber auch beispielsweise in einer Art Steckergehäuse untergebracht sein, dass an dem Druckmesser 8 ansteckbar ist.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1, bei dem der Piezowandler 2 als Körperschallsensor arbeitet und außen an der Fluidleitung 4 angebracht ist, beispielsweise als Clamp-On-Sensor. Hier erfasst der Piezowandler 2 die von den Druckpulsen in der Wand der Fluidleitung 4 erzeugten Schallimpulse. Wie 3 ferner zeigt, können an der Elektronik 6 weitere Sensoren 10, 11 angeschlossen sein, um für den Durchfluss des Fluids 5 relevante Messgrößen wie Druck und/oder Temperatur zu erfassen und anhand dieser Messgrößen eine Korrektur des aus dem Körperschall ermittelten Durchflusswertes zu ermöglichen. Solche weiteren Sensoren können auch bei den Beispielen nach 1 und 2 vorgesehen werden.
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4 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1, bei dem der Piezowandler 2 Bestandteil eines Druckhalteventils 12 ist bzw. in einem solchen eingebaut ist. Druckhalteventile 12 werden oft in Verbindung mit Dosierpumpen eingesetzt, um den für die Pumpen notwendigen Gegendruck zu erzeugen. 4 zeigt eine solche Dosierpumpe 13, hier in Form einer Membrandosierpumpe. Diese weist einen Arbeitsraum 14 auf, der durch eine von einem Antrieb 15 ausgelenkte Dosiermembran 16 abwechselnd vergrößert und verkleinert wird. Beim Saughub der Dosiermembran 16 wird ein definiertes Volumen des Fluids 5 über ein Ansaugventil 17 in den Arbeitsraum 14 eingesaugt und beim Druckhub über ein Druckventil 18 in die Fluidleitung (Druck- oder Dosierleitung) 4 zu einer Verbrauchsstelle hin gedrückt. Der Antrieb der Dosiermembran 16 kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise mittels eines Elektromagneten, mittels eines Motors, mittels Druckluft (pneumatisch) oder hydraulisch erfolgen, wobei die Pump- oder Dosierleistung bzw. der Förderstrom oder Durchfluss über die Hubfrequenz und/oder Hublänge einstellbar und veränderbar ist. Aufgrund der Elastizität der Dosiermembran 16 ist der Durchfluss aber auch von dem Gegendruck in der Dosierleitung 4 abhängig. Wenn das Fluid 15 Gasblasen 19 enthält, werden diese bei jedem Druckhub komprimiert, so dass der Durchfluss verringert wird.
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Das Druckhalteventil 12 weist einen Schließkörper 20 in Form einer Ventilmembran auf, die entgegen der Kraft einer Feder 21 aus der Schließposition bewegt wird, wenn der Druck des Fluids 5 in der von der Pumpe 13 kommenden Druckleitung 4 einen vorgegebenen Wert übersteigt. Wenn das Druckhalteventil 12 geöffnet ist, ist der Durchfluss des Fluids 5 proportional zum Ventilhub der Ventilmembran 20. Wenn das Druckhalteventil 12 geschlossen ist, findet kein Durchfluss des Fluids 5 statt. Der Ventilhub und die Öffnungsdauer des Druckhalteventils 12 geben daher für jeden Pumpenhub der Dosierpumpe 13 exakt die Dosiermenge des Fluids 5 wieder. Der Piezowandler 2 ist auf der von dem Fluid 5 abgewandten Rückseite der Ventilmembran 20 angeordnet und erfasst deren Auslenkung bzw. Verformung. Damit ist es möglich, mit Hilfe des Piezowandlers 12 die Dosiermenge des Fluids 5 bei jedem Pumpenhub und damit den Durchfluss des Fluids 5 mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Es ist dann keine Korrektur der über den Piezowandler 2 erfolgten Durchflussmessung erforderlich, so dass die in 3 gezeigten weiteren Sensoren 10, 11 nicht benötigt werden. Wie 4 zeigt, kann der Durchflussmesser 1 mitsamt der Elektronik 6 und ggf. der Antenne 7 in dem Druckhalteventil 12 integriert bzw. in dessen Gehäuse eingebaut werden. Natürlich können auch hier die Elektronik 6 und/oder Antenne 7 in einem Steckergehäuse untergebracht sein, dass über eine Schnittstelle an dem Druckhalteventil 12 gehalten ist.
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5 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessers mit dem Piezowandler 2, der Elektronik 6 und der Antenne 7. Der Piezowandler 2 wandelt die von ihm erfassten Fluidpulse 22 in elektrische Impulse 23 um. Die elektrischen Impulse 23 werden von einer an sich bekannten AC/DC-Umsetzerschaltung 24, beispielsweise ein Gleichrichter mit nachgeordnetem DC/DC-Schaltwandler, kumulativ in einem Energiespeicher 25 gespeichert, der hier aus einem Kondensator besteht. Gleichzeitig wird jeder elektrische Impuls 23 von einem Zähler 26 gezählt, wenn der Impuls 23 beispielsweise einen Schwellenwert 27 überschreitet. Die Zählung der elektrischen Impulse 23 erfolgt in einem Zeitintervall, das entweder fest vorgegeben ist, oder bis zu einem vorgegebenen Zählerstand, wobei dann das Zeitintervall variabel ist. Der Energiebedarf des Zählers 26 und der AC/DC-Umsetzerschaltung 24 ist aufgrund ihrer einfachen Funktionen sehr gering, so dass sie permanent aktiv sind, wobei sie über eine Stromversorgungseinrichtung 28 aus der in dem Kondensator 25 gespeicherten Energie versorgt werden. Die Energieentnahme ist dabei wesentlich geringer als der Energiezufluss durch die kumulative Speicherung der Impulse 23.
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Die Stromversorgungseinrichtung 28 erzeugt eine Versorgungsspannung V+ (oder ggf. mehrere Versorgungsspannungen) und dient auch zur Energieversorgung einer Auswerteeinrichtung 29 zur Ermittlung des Durchflusswertes und einer Kommunikationseinrichtung 30 zur drahtlosen Versendung des ermittelten Durchflusswertes über die Antenne 7. Die Auswerteeinrichtung 29 und Kommunikationseinrichtung 30 sind jedoch deaktiviert, solange zum einen der vorgegebene Zählerstand nicht erreicht ist und zum anderen die in dem Energiespeicher 25 verfügbare Energie nicht ausreicht. Die Stromversorgungseinrichtung 28 enthält eine Messeinrichtung 31, die die Spannung über dem Kondensator 25 überwacht und eine Aktivierung der Auswerteeinrichtung 29 und der Kommunikationseinrichtung 30 verhindert oder beide Einrichtungen 29, 30 deaktiviert, solange bzw. wenn die Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
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Am Ende des beispielsweise vorgegebenen Zeitintervalls versucht der Zähler 26 den erreichten Zählerstand in die Auswerteeinrichtung 29 zu übertragen und diese zu aktivieren. Dieser Versuch wird von der Messeinrichtung 31 verhindert, wenn die Spannung über dem Kondensator 25 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. In diesem Fall wird so oft ein neues Zeitintervall zum Zählen der Impulse 23 gestartet, bis am Ende des Zeitintervalls die in dem Energiespeicher angesammelte Energie zum Betreiben der Auswerteeinrichtung 29 und der Kommunikationseinrichtung 30 ausreicht. Dann ermittelt die Auswerteeinrichtung 29 anhand des Zählerstands und eines für den Durchfluss bezeichnenden Impulsparameters einen Durchflusswert, der bei ausreichend vorhandener Energie in dem Energiespeicher 25 von der Kommunikationseinrichtung 30 über die Antenne 7 versendet wird.
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Bei dem gezeigten Beispiel wird als durchflussrelevanter Impulsparameter die innerhalb des Zeitintervalls in dem Energiespeicher bzw. Kondensator 25 akkumulierte Energie verwendet. Dabei entspricht die Energiezunahme der Differenz der von der Messeinrichtung 31 am Anfang und Ende des Zeitintervalls ermittelten Spannungen über dem Kondensator 25. Wie oben bereits erwähnt, kann der Kondensator, beispielsweise über einen DC-DC-Wandler, in eine aufladbare Batterie oder einen anderen Energiespeicher umgeladen werden. Wenn dies vor Beginn eines jeden neuen Zeitintervalls für das Zählen der Impulse erfolgt, kann der Kondensator am Anfang jedes Zeitintervalls jedes Mal in denselben definierten Ladezustand versetzt werden, so dass eine Spannungsmessung nur noch am Ende des Zeitintervalls erforderlich ist.
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An der Auswerteeinrichtung 29 können die weitere Sensoren 10, 11 (3) angeschlossen sein, um für den Durchfluss des Fluids 5 relevante Messgrößen wie Druck und/oder Temperatur zu erfassen und anhand dieser Messgrößen eine Korrektur des ermittelten Durchflusswertes zu ermöglichen.
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6 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Durchflussmessers 1 für die in 4 gezeigte Verwendung in einem Druckhalteventil 12. Wie bereits erwähnt geben Ventilhub und Öffnungsdauer des Druckhalteventils 12 - oder allein die Öffnungsdauer bei konstant maximalem Ventilhub - exakt die Dosiermenge des Fluids wieder. Eine Messeinrichtung 32, die der Auswerteeinrichtung 29 zugeordnet oder Bestandteil von ihr ist, misst die Dauer und ggf. auch die Höhe einzelner elektrischer Impulse 23 als Maß für die Öffnungsdauer und ggf. den Ventilhub des Druckhalteventils 12. Die Auswerteeinrichtung 29 berechnet daraus und aus dem von dem Zähler 26 erhaltenen Zählerstand den aktuellen Durchflusswert des Fluids 5.
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Bei dem gezeigten Beispiel wird der Kondensator 25 über einen DC-DC-Wandler 33 in eine aufladbare Batterie 34 umgeladen. Die hier als separate Komponenten dargestellten DC-DC-Wandler und Batterie 34 können Bestandteile der Stromversorgungseinrichtung 28 sein, die die Versorgungsspannung V+ für die Elektronik 6 erzeugt. Die Messeinrichtung 31 deaktiviert über ihren Ausgang 35 die Auswerteeinrichtung 29 und Kommunikationseinrichtung 30 bzw. verhindert deren Aktivierung so lange wie der in der Batterie 34 enthaltene Energievorrat unter einem Schwellenwert liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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