-
Die
Erfindung betrifft einen Durchflussmesssensor zur Bestimmung der
Durchflussmenge eines Mediums, insbesondere Flüssigkeiten,
mit einem in einer Kartusche eingebauten Flügelrad, wobei
die Kartusche in einen Wasserraum eines Gehäuses oder Gerätes
austauschbar eingesetzt ist und der Wasserraum Anschlüsse
zu mediumführenden Leitungen aufweist.
-
Ein
Durchflussmesssensor ist aus der
US
5 721 383 bekannt. Dort ist ein Flügelrad in einer
wasserführenden Leitung so angebracht, dass es vom durchströmenden
Medium radial bewegt ist. Ein Sensor misst die Drehbewegung des
Flügelrades und überträgt die ermittelten
Daten an eine Auswertungs- und Übertragungseinrichtung.
Diese enthält einen Sender, über den sie die ermittelten
Durchflussdaten an einen Empfänger schnurlos überträgt.
-
Eine
Vorrichtung zur Ermittlung der Durchflussmenge eines Strömungsmediums
ist weiterhin in der
DE
39 40 280 C2 gezeigt.
-
Ein
konisch und rohrförmig ausgebildetes Gehäuse ist
mit einem fest angeordneten weichmagnetischen Kern sowie Primär-
und Sekundärspulen ausgestattet. Über einen Staudruckkörper
wird bei unterschiedlich starker Strömung die Positionsveränderung über
magnetische Wegdetektierung bestimmt. Die Konizität des
Gehäuses dient dabei dazu, den Staudruck in Abhängigkeit
von der Position des Staudruckkörpers zu variieren, wodurch
die Durchflussmenge messbar ist.
-
In
der
DE 41 11 001 A1 ist
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Mediums beschrieben, bei der in axialer Richtung ein Flügelrad
angeordnet ist, dessen Flügel magnetisch sind, wodurch
in einer im Bereich der Rohrwandung angeordneten Spule durch Drehbewegung des
Flügelrades Spannungsimpulse induziert werden.
-
Von
der Fa. Wellspring Wireless Utility Services, einzusehen in der
homepage mit der Adresse "http://www.wellspringwireless.com",
ist ein Durchflussmesssystem bekannt, bei dem in einem wasserführenden
Raum ein Durchflusssensor angeordnet ist, der durch seine Drehbewegung
bei Wasserdurchfluss Signale an eine in einem an den wasserführenden
Raum angrenzenden Trockenraum befindliche Elektronik überträgt.
Eine Antenne sendet die ermittelten und von einer Elektronik aufbereiteten
Daten an einen Empfänger.
-
Aus
der
DE 40 29 780 C2 ist
ein Wasserdurchflussmesser mit einem Rotationskörper bekannt,
der strahlenförmige Stifte aufweist, im Strömungsquerschnitt
eines Gehäuses liegt und die Wasserströmung nur
geringfügig verwirbelt. Der Wasserdurchflussmesser ist
in einem Durchlauferhitzer angeordnet.
-
Die
bekannten Vorrichtungen weisen Durchflussmesssensoren auf, bei denen
der Wasserdruck und Formtoleranzen der Wandung des Wasserdurchflussmessers
Auswirkungen insbesondere auf die mechanische Eigenschaften des
Systems haben. Die durch den Wasserdruck auf die Vorrichtungen resultierende
Formänderung der Bauteile führt zu inneren Spannungen
sowie geometrischen Abweichungen, die beispielsweise zur Veränderung
der Lagerposition führen können und somit eine
erhöhte Reibung in den Lagern des Flügelrades
und damit mangelnde Reproduzierbarkeit der Messergebnisse entstehen
lassen. Formabweichungen der Wandung, die sich insbesondere bei
verschachtelten und unsymmetrischen Gehäusen ergeben, wirken
ebenfalls auf die Kartusche, in der das Flügelrad angeordnet ist,
und verformen diese.
-
In
der
DE 44 45 976 A1 ist
ein Durchflusszähler beschrieben, bei dem das Flügelrad
einfach an seinem Messeinsatz ausbaubar und einbaubar sein soll.
Der Messeinsatz soll möglichst geringe Druckverluste verursachen.
Ein Teil des strömenden Mediums fließt außen
an dem Messeinsatz vorbei. Aufgrund von Änderungen der
Druckverhältnsse und bei unterschiedlichen Wasserströmungen
entstehen Messfehler.
-
Aus
der
DE 39 09 722 A1 ist
ein Woltmann-Flügelradzähler bekannt, dessen Flügelrad
radial angeströmt wird. Infolge der Umlenkung der Wasserströmung
kommt es zu hohen Druckverlusten.
-
In
der
DE 19 48 622 B2 ist
ein Flüssigkeitszähler beschrieben. Der einschiebbare
Messeinsatz ragt frei in das Zählergehäuse und
ist mittels eines Halterings in einer Bohrung des Gehäuses
geführt.
-
Die
DE 42 18 812 A1 beschreibt
ein Flügelrad eines Flüssigkeitzählers,
das in besonderer Weise austariert ist.
-
Aus
der
DE 39 36 712 A1 ist
eine Zählvorrichtung für Flüssigkeiten
bekannt. Die Kartusche ist in ein Rohr des Zählergehäuses eingepasst
und dort festgesetzt. Es kann dabei in der Praxis zu den oben genannten
Störungen des Messergebnisses kommen.
-
Ein
Flüssigkeitszähler mit einstückig aus Kunststoff
gespritztem Kammermantel, Kammerdecke und Gehäuseoberteil
ist aus der
DE 199
63 076 C2 bekannt. Dabei ist der Kammermantel unter Ausbildung
eines Zwischenraumes von der Gehäusewand beabstandet.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses
eines Mediums zu finden, die in Wasserräume einsetzbar
ist, bei der der Wasserdruck des Wasserzuleitungssystems sowie Formtoleranzen
und -änderungen des Wasserraumes und der Kartusche sich
nicht auf das Drehverhalten des eigentlichen Durchflusssensors auswirken.
-
Gelöst
ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die
Merkmale des Anspruchs 1.
-
Formänderungen
des Gehäuses eines Durchflussmesssensors sind dadurch vermieden, dass
die Druckkräfte des statischen Druckes von der Wandung
eines Wasserraumes aufgenommen sind. Die den eigentlichen Durchflusssensor
haltende Kartusche ist so in den Wasserraum eingesetzt, dass die Außenflächen
der Kartusche und die Innenflächen der Wandung des Wasserraumes
beabstandet sind. Der sich ergebende Spalt bzw. Raum ist somit vom mit
statischem Druck beaufschlagten Wasser gefüllt. Da die
Wandung der Kartusche von Druckkräften des Durchflussmediums
entkoppelt ist, kann sie dünnwandig ausgeführt
werden. Bei sich änderndem Wasserdruck wird sich die Wandung
des Wasserraumes verformen, nicht aber die Wandung der Kartusche.
Keinesfalls wird es zu einer Formänderung der Kartusche
kommen, da diese beidseitig vom Wasserdruck beaufschlagt ist. Durch
den Spalt bzw. Raum können sich Maßtoleranzen
der Wandung des Wasserraumes und der Kartusche nicht auf das Drehverhalten
des Flügelrades auswirken.
-
Durch
den speziell gestalteten Führungsbereich ist gewährleistet,
dass dort einerseits die Kartusche sicher geführt wird
und andererseits auch dort die Wandung der Kartusche innen und außen
vom Wasserdruck beaufschlagt ist. Die Kartusche ist damit in dem
Wasserraum freiliegend bzw. fliegend gelagert. Sie ist damit frei
gegenüber der Wandung des Wasserraums, wodurch von vornherein
bestehende oder sich im Betrieb ergebende Maßtoleranzen, Änderungen
der Druckverhältnisse und von außen auf das System
einwirkende Kräfte und Biegemomente sich praktisch nicht
auf das Messergebnis auswirken.
-
Kräfte
und/oder Biegemomente können von den an das Meßsystem
angeschlossenen Rohren oder Leitungen auf das Gehäuse des
Meßsystems übertragen werden. Durch diese Einwirkung
verformt sich das Gehäuse auch im Durchströmungsbereich der
Kartusche, jedoch bleibt die Einwirkung auf die Kartusche so gering,
dass Abweichungen in der Messgenauigkeit vermieden sind.
-
Ein
Flansch mit einer radialen Führung der Kartusche weist
vorzugsweise eine flexible Dichtlippe auf, die sich an die Wandung
einer Erweiterung des Wasserraumes anlegt. Dieser Kontaktbereich zwischen
Dichtlippe und Wandung ist konisch ausgeführt. Die konische
Fläche des Flansches steht dabei im Kontakt mit der konischen
Fläche der Wandung, wobei die Kräfte, die für
die Abdichtung nötig sind, durch Verformung der Dichtlippe
und Reibung zwischen den Flächen des Durchflussmesssensors
mit dem wasserführenden System aufgebracht sind. Meßfehler
verursachende Wasserströme an der Kartusche vorbei sind
somit vermieden. Durch die Positionierung des Flansches in etwa
auf der Mitte des zylindrischen Wasserraumes sind die Druckeinflüsse durch
den inneren Druckverlust am Flügelrad weiter minimiert.
-
Um
die Kartusche im Wasserraum zu positionieren, sind radial verteilt
Abstandshalter in Form von Warzen oder Rasthaken an der Kartuschen-Außenseite
angebracht. Diese stehen im Kontakt mit der Innenfläche
bzw. Aussparungen der Innenfläche der Wandung. Zur Positionierung
reicht ein Rasthaken aus, vorteilhaft ist jedoch eine radiale Verteilung von
Rasthaken oder Warzen am Umfang, wodurch auch Kippmomente der Kartusche
aufgefangen werden können. Weiterhin dienen die Rasthaken
zur Transportsicherung. Es wird erreicht, dass die Kartuschen im
Gehäuse formschlüssig festgehalten sind.
-
Zur
einfachen Funktionskontrolle des Durchflusssensors ist die Kartusche
transparent ausgeführt, wodurch auf optischem Weg festgestellt
werden kann, ob sich das Flügelrad dreht. Das Anlaufverhalten
ist z. B. kontrollierbar, indem bei beginnendem Wasserdurchfluss überwacht
wird, wann sich das Flügelrad anfängt zu drehen.
-
In
der Kartusche enthalten sind zwei Lagerböcke, zwischen
denen das Flügelrad drehbar aufgenommen ist. Die in die
Lagerböcke eingesetzten Lagerbuchsen bestehen vorzugsweise
aus Teflon und die Achsen des Flügelrades aus Polyamid,
wodurch sehr gute Trocken- und Nasslauf-Eigenschaften erreicht sind.
Die Lagerbuchsen sind auf ihrer Stirnseite ballig ausgebildet, wogegen
die Achse des Flügelrades stirnseitig plan ist. Zur weiteren
Optimierung des Reibverhaltens weist das Teflon-Lager einen 15%igen
Grafitanteil auf.
-
Die
Reibungskräfte, insbesondere Axialreibungen, können
durch die Anpassung der Gewichtskraft des Flügelrades kompensiert
werden. Durch Materialien mit einer von der Dichte des Grundmaterials
des Flügelrades abweichenden Dichte ist eine Gewichtskraft
des Flügelrades wirksam. In einer vorteilhaften Abstimmung
ist die Gewichtskraft genauso groß wie die durch das durchfließende
Medium hervorgerufene Axialkraft, wodurch die wirkenden Axialkräfte
kompensiert sind. Dazu ist eine Anordnung des Durchflussmessbereiches
in weitgehend senkrechter Position notwendig.
-
Damit
die Drehbewegung sensorisch erfasst werden kann, ist das Flügelrad
ganz oder teilweise aus magnetisierbaren Stoffen hergestellt. Dem Kunststoff,
aus dem es hergestellt ist, sind somit magnetisierbare Stoffanteile
zugemengt. Zur exakten und stromsparenden Erfassung der vom Flügelrad erzeugten
Impulse ist ein Sensor, z. B. Hallsensor, dem Flügelrad – von
den Wandungen des Wasserraumes und der Kartusche getrennt – zugeordnet. Durch
die dünne Wandung der Kartusche von z. B. 1 mm liegt das
impulsgebende Flügelrad und der impulserfassende Sensor
nah zusammen.
-
Zur
Aufnahme einer Elektronik mit Sendeeinrichtung und Stromversorgung
ist ein vom Wasserraum getrennter, aber an diesen angrenzender Trockenraum
am Durchflussmesssensor angeordnet. Zur Abdichtung ist dieser Trockenraum
entweder an einem Deckel oder an den Randflächen des Gehäuses
mit einer Dichtung ausgerüstet, mit dem Gehäuse
verklebt oder ultraschallverschweißt. In vorteilhafter
Weise ist diese Dichtung in einer Zwei-Komponenten-Spritztechnik
hergestellt. Zur Fixierung und Positionierung eines mit der Elektronik
verbundenen Sensors weist der Deckel oder das Gehäuse des
Trockenraumes eine Rast- oder Federvorrichtung auf. Diese kann ebenfalls
in Zwei-Komponenten-Spritztechnik oder aus dem Material des Deckels
hergestellt sein. In einer vorteilhaften Weise ist die Federvorrichtung
in Form einer Membran ausgelegt.
-
Im
Trockenraum ist eine mit der Elektronik verbundene Antenne angeordnet,
ohne dass dafür ein separater Raum gebildet ist. Die Anordnung
der Antenne ist somit von außen nicht sichtbar. Eine Batterie
dient zur Stromversorgung und ist ebenfalls im Trockenraum angeordnet.
-
Der
Durchflussmesssensor ist als Funktionseinheit als Wasserzähler
ausrüstbar oder z. B. in einem Durchlauferhitzer als Volumenstrom-Erfassungsgerät.
Die Kartusche ist als Einsatz in beliebige Geräte oder
Vorrichtungen einbaubar, bei denen ein Fluiddurchfluss gemessen
werden soll.
-
In
der Zeichnung zeigen:
-
1 einen
Durchflussmesssensor mit axialem Flügelrad in einem Wasserraum
sowie in einem Trockenraum,
-
2 den
Durchflussmesssensor mit Spalt,
-
3 den
Flanschbereich der Kartusche vergrößert,
-
4 den
Trockenraum mit Federmembran und Elektronikplatine vergrößert,
-
5 die
Kartusche mit Lagerbock,
-
6 die
Kartusche mit Stegen, Lagerbock und Abstandhalter im Schnitt entlang
der Linie VI-VI nach 5,
-
7 den
Bereich der Kartusche mit Lagerbock und Abstandhalter vergrößert,
-
8 den
Bereich der Kartusche mit Stegen und Zapfen vergrößert,
-
9 den
Flansch der Kartusche mit Absatz, Dichtlippe und konischer Fläche
vergrößert,
-
10 einen
Schnitt längs der Linie X-X der 2,
-
11 einen
Teilschnitt längs der Linie X-X der 2 im Spaltbereich,
gegenüber 2 vergrößert,
und
-
12 einen
Teilschnitt längs der Linie XII-XII der 2 im
Führungsbereich, gegenüber 2 vergrößert.
-
Der
in 1 dargestellte Durchflussmesssensor 1 ist
durch ein Gehäuse 2 und eine Kartusche 3 mit
Flügelrad 4 gebildet. Das Flügelrad 4 ist
in einem ersten Lagerbock 6 und einem zweiten Lagerbock 5 drehbar
gehalten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Lagerbock 6 innen
fest über Stege 7 an die Kartusche 3 angeformt.
Der zweite Lagerbock 5 ist in die Kartusche 3 austauschbar
eingesetzt. Auch hier dienen Stege dazu, diesen Lagerbock 5 in
der Kartusche radial und axial zu fixieren. In die Lagerböcke 5 und 6 sind
Lager 24 eingesetzt, die eine ballige Lagerfläche 27 zur
Reibungsminimierung aufweisen. Zur axialen Fixierung der Lager 24 weisen die
Stege 7 weiterhin Zapfen 9 auf, die in nicht dargestellte
Freimachungen im Lager 24 einrasten.
-
Die
Außenfläche 10 der Kartusche 3 ist
beabstandet von der Innenfläche 11 einer Wandung 12 des
Gehäuses 2, wodurch sich ein Raum bzw. Spalt 13 zwischen
der Wandung 12 und der Kartusche 3 ergibt. Der
Flansch 14 weist einen Absatz 15 und eine flexible
Dichtlippe 16 mit einer konischen Fläche 18 auf,
die in der Erweiterung 8 an einer konischen Fläche 17 des
Wasserraumes 20 anliegt. Durch Reibungskräfte
zwischen den konischen Flächen 18 und 17 kann
die Kartusche 3 in gewissem Maß fixiert und positioniert
sein.
-
Durch
Andruckkräfte, die nach der Montage der Vorrichtung an
das Wasserleitungssystem auftreten, können am Flansch 14 ebenfalls
die für die Dichtung nötigen Kräfte an
der Dichtlippe 16 erzeugt werden. An der Kartusche 3 angeordnete
Abstandshalter 19 beabstanden und fixieren zusätzlich
die Kartusche 3 an der Wandung 12.
-
Ein
Trockenraum 21 grenzt – getrennt durch die Wandung 12 – an
den Wasserraum 20 an. Der Trockenraum 21 ist durch
einen Deckel 22 abgeschlossen. Die Randflächen 23 des
Trockenraumes 21 weisen nicht dargestellte Dichtlippen
auf. Im Trockenraum 21 ist eine Elektronikplatine 26 einbaubar. Über
ein als Membranfeder 25 oder als einfaches Kunststoffstück
mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften ausgestaltetes
elastisches Federelement ist die Elektronikplatine 26 im
Trockenraum 21 fixiert und arretiert. Dadurch ist ein auf
der Elektronikplatine 26 angeordneter Sensor 28,
beispielsweise Hallsensor, im Trockenraum 21 an der Wandung 12 und
fest zur Position des Flügelrades 4 angebracht.
-
Im
Trockenraum 21 ist eine dem Betrieb der Elektronik der
Elektronikplatine 26 dienende Batterie 37 angeordnet
(vgl. 10). Für den Fall,
dass die Batterie 37 ausgast, ist eine Überdrucksicherung
vorgesehen. Diese ist auf einfache Weise dadurch gebildet, dass
im Deckel 22 eine Bohrung 30 vorgesehen ist, die
im Normalfall mit einem Klebeschild (Label) 31 überklebt
ist. Beim Überschreiten eines definierten Nenndruckes,
beispielsweise 1,5 bar, im Trockenraum 21, löst
sich das Label 31. Die Klebeeigenschaften des Klebeschildes 31 sind
so gewählt, dass diese Funktion in dem Temperaturbereich
gewährleistet ist, für den der Durchflussmesser
vorgesehen ist. Das Klebeschild 31 ist so gestaltet, dass
es wasserdicht und hinreichend diffusionsdicht ist, so dass Luftfeuchtigkeit
der Umgebung nicht in das Gehäuse 2 eindringen
kann, so dass die Funktion der Elektronik und der Batterie nicht
beeinträchtigt ist. Das Klebeschild 31 kann Informationen
tragen, die für die Kennzeichnung des Durchflussmessers
nötig sind.
-
Die 2, 11 und 12 zeigen
eine besondere Lagerung der im wesentlichen zylindrischen Außenfläche 10 der
Kartusche 3 an der Innenfläche 11 der
Wandung 12 des Gehäuses 2.
-
Zwischen
der Innenfläche 11 der Wandung 12 und
der Außenfläche 10 der Kartusche 3 besteht in
Längsrichtung der Kartusche 3 gesehen ein Führungsbereich 32 und
ein Spaltbereich 33, der vom Raum 13 gebildet
ist, welcher speziell ein zylindrischer Spalt zwischen der Innenfläche 11 und
der Außenfläche 10 ist.
-
Der
Führungsbereich 32 ist in Längsrichtung (vgl. 2)
gesehen kürzer als der Spaltbereich 33. Die Länge
des Führungsbereiches 32 beträgt beispielsweise
1/6 bis 1/2 der Länge des Spaltbereiches 33.
-
Im
Führungsbereich 32 ist die Innenfläche 11 der
Wandung 12 im Querschnitt (vgl. 12) mehreckig,
in 12 sechseckig, gestaltet. Durch diese mehreckige,
wenigstens dreieckige Gestaltung sind im wesentlichen linienförmige
Stützzonen 34 gebildet, an denen sich die Außenfläche 10 der
Kartusche 3 abstützt. Zwischen den Stützzonen 34 bestehen Zwischenzonen 35 bzw.
Eckzonen 35, die zum Raum 13 bzw. dem Spaltbereich 33 offen
sind, so dass der Wasserdruck auch im Bereich der Zwischenzonen 35 auf
die Außenfläche 10 der Kartusche 3 wirkt.
-
Eine
gleichwirkende Stützung der Außenfläche 10 der
Kartusche 3 an der Innenfläche 11 der Wandung 12 des
Raumes 13 lässt sich auch dadurch erreichen, dass
im Führungsbereich 32 an der Außenfläche 10 der
Kartusche 3 und/oder der Innenfläche 11 der
Wandung 12 Höcker gestaltet sind, die etwa punktförmige
Stützzonen 34 bilden.
-
Zwischen
dem Führungsbereich 32 und dem Spaltbereich 33 sind
an der Außenfläche 10 der Kartusche 3 die
Abstandshalter 19 vorgesehen, die speziell von Rasthaken
gebildet sind. Die Rasthaken 19 wirken mit Vorsprüngen 36 der
Innenfläche 11 der Wandung 12 zusammen.
Durch diese Verbindungsmittel ist erreicht, dass die Kartusche 3 in
der Wandung 12 derart gehalten ist, dass sie sich unter
Transportbedingungen nicht lösen kann. Die durch die Rasthaken 19 und
die Vorsprünge 36 beschriebene Verbindung führt
nicht zu einer Verspannung in Längsrichtung der Kartusche 3 im
Betrieb.
-
Durch
die beschriebene Anordnung der Kartusche 3 innerhalb der
Wandung 12 ist die Kartusche 3 einerseits gegenüber
der Wandung 12 mechanisch weitgehend entkoppelt, d. h.
frei liegend bzw. frei fliegend, so dass es bei baulichen oder betriebsbedingten
Toleranzen oder von außen auf das System einwirkende Kräfte
oder Biegemomente nicht zu die Messergebnisse negativ beeinflussenden
Verspannungen kommen kann. Andererseits oder trotzdem ist erreicht,
dass die Kartusche 3 in allen Betriebszuständen
sicher innerhalb der Wandung 12 so geführt ist,
dass nicht Führungstoleranzen entstehen oder bestehen,
die zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen
könnten.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5721383 [0002]
- - DE 3940280 C2 [0003]
- - DE 4111001 A1 [0005]
- - DE 4029780 C2 [0007]
- - DE 4445976 A1 [0009]
- - DE 3909722 A1 [0010]
- - DE 1948622 B2 [0011]
- - DE 4218812 A1 [0012]
- - DE 3936712 A1 [0013]
- - DE 19963076 C2 [0014]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - http://www.wellspringwireless.com [0006]