DE102015011755A1 - Sensor for a sanitary device - Google Patents
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- G01P5/06—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using rotation of vanes
- G01P5/07—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using rotation of vanes with electrical coupling to the indicating device
Abstract
Messfühler (5) für eine Sanitäreinrichtung (8), der in einer Fluidleitung (4) der Sanitäreinrichtung (8) anordenbar und mit einer Auswertungseinrichtung (7) der Sanitäreinrichtung (8) datenleitend verbindbar ist, wobei der Messfühler (5) einen Kondensator (1) mit einer Kapazität umfasst, welche aufgrund einer Wechselwirkung des Messfühlers (5) mit einem Fluid (9) in der Fluidleitung (4) und in Abhängigkeit von wenigstens einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluides (9) veränderlich ist.Measuring sensor (5) for a sanitary device (8) which can be arranged in a fluid line (4) of the sanitary device (8) and data-conducting connected to an evaluation device (7) of the sanitary device (8), wherein the measuring sensor (5) a capacitor (1 ) having a capacity which is variable due to an interaction of the probe (5) with a fluid (9) in the fluid line (4) and in dependence on at least one flow velocity of the fluid (9).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messfühler zur Ermittlung eines Fluidstroms in einer Sanitäreinrichtung bzw. in einer Fluidleitung hin zu einer Sanitäreinrichtung.The present invention relates to a measuring sensor for determining a fluid flow in a sanitary device or in a fluid line to a sanitary device.
In modernen Sanitätsinstallationen besteht ein Bedarf, den Volumenstrom durch Wasserleitungen zu ermitteln. Eine möglichst genaue Kenntnis des Durchflusses von Wasser durch eine Leitung kann beispielsweise zur genauen Einstellung von Regelventilen oder zur effizienten Aufheizung von Kaltwasser in Durchlauferhitzern und dergleichen dienen.In modern sanitary installations there is a need to determine the volume flow through water pipes. The most accurate knowledge of the flow of water through a pipe can be used, for example, for the precise adjustment of control valves or for the efficient heating of cold water in water heaters and the like.
Sensoren zur Messung eines Fluidstroms in einer Leitung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden beispielsweise Laufräder mit Schaufeln aus einem elektrisch leitenden Material und eine Spulenanordnung verwendet, wobei durch den Volumenstrom das Laufrad in Bewegung versetzt wird. Je nach Strömungsgeschwindigkeit werden die Schaufeln schneller oder langsamer an der Spulenanordnung vorbeigeführt. Die Annäherung und Entfernung von elektrischen Leitern induziert in der Spule eine Spannung, die gemessen werden kann. Die Frequenz der Induktionsspannung erlaubt einen Rückschluss auf die Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms.Sensors for measuring a fluid flow in a conduit are known in the art. In this case, for example, impellers with blades made of an electrically conductive material and a coil arrangement are used, wherein the volume flow causes the impeller to move. Depending on the flow velocity, the blades are guided past the coil arrangement faster or slower. The approach and removal of electrical conductors induces in the coil a voltage that can be measured. The frequency of the induction voltage allows a conclusion on the flow velocity of the volume flow.
Weiterhin sind Durchflusssensoren bekannt, welche die Strömungsgeschwindigkeit von elektrisch leitfähigen Fluiden mittels Faraday'scher Induktion bestimmen.Furthermore, flow sensors are known which determine the flow velocity of electrically conductive fluids by means of Faraday induction.
Die bekannten Sensoren haben den Nachteil, dass sie entweder rotierende mechanische Komponenten aufweisen, welche nur bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten zur Volumenstromermittlung eingesetzt werden können und leicht blockieren, sowie aufwendig herzustellen sind, oder nur den Durchfluss elektrisch leitfähiger Medien ermitteln können. Weiter ist problematisch, dass diese Sensoren teilweise für Fluidleitungen von Sanitäreinrichtungen ungeeignet sind, weil zumindest zeitweise sehr geringe Durchflussraten vorliegen, die vielfach zu ungenaue Messergebnisse zur Folgen haben.The known sensors have the disadvantage that they either have rotating mechanical components, which can be used only at high flow rates for flow determination and easily block, and are expensive to produce, or can only determine the flow of electrically conductive media. Another problem is that these sensors are partially unsuitable for fluid lines of sanitary facilities, because at least temporarily present very low flow rates, which often have inaccurate measurement results to follow.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die mit Bezug auf den Stand der Technik genannten Probleme wenigstens zu lindern. Insbesondere soll ein kostengünstiger Messfühler auch für kleine Volumenströme angegeben werden, welcher die Strömungsgeschwindigkeit von leitfähigen und nichtleitfähigen Fluiden bestimmen kann. Insbesondere soll der Messfühler für den Einsatz in Wasserarmaturen geeignet sein. Ferner soll der Sensor vielseitig einsetzbar sein und neben der Strömungsgeschwindigkeit weitere Eigenschaften von Fluiden, wie insbesondere einen Strömungsausfall, die Temperatur und/oder Härte des Fluides, bestimmen können.The present invention has the object of at least alleviating the problems mentioned with reference to the prior art. In particular, a cost-effective sensor is to be specified for small flow rates, which can determine the flow rate of conductive and non-conductive fluids. In particular, the sensor should be suitable for use in water fittings. Furthermore, the sensor should be versatile and, in addition to the flow velocity, can determine further properties of fluids, in particular a flow failure, the temperature and / or hardness of the fluid.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Messfühler und einer Sanitärarmatur gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.These objects are achieved with a sensor and a sanitary fitting according to the features of the independent claims. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent formulated claims. It should be noted that the features listed individually in the dependent formulated claims can be combined with each other in any technologically meaningful manner and define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, wherein further preferred embodiments of the invention are shown.
Hierfür wird ein Messfühler für eine Sanitäreinrichtung vorgeschlagen, der in einer Fluidleitung der Sanitäreinrichtung anordenbar und mit einer Auswertungseinrichtung der Sanitäreinrichtung datenleitend verbindbar ist, wobei der Messfühler einen Kondensator mit einer Kapazität [C] umfasst, welche aufgrund einer Wechselwirkung des Messfühlers mit dem Fluid in der Fluidleitung und in Abhängigkeit von wenigstens einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluides veränderlich ist.For this purpose, a sensor for a sanitary device is proposed, which can be arranged in a fluid line of the sanitary device and data conducting connected to an evaluation device of the sanitary device, wherein the sensor comprises a capacitor having a capacity [C], which due to an interaction of the probe with the fluid in the Fluid line and in dependence on at least one flow rate of the fluid is variable.
Der Messfühler kann in der Fluidleitung, welche beispielsweise eine rohrförmige Leitung für Wasser sein kann, angeordnet sein. Der Messfühler kann dabei direkt mit dem Fluid in Wechselwirkung treten. Hauptbestandteil des Messfühlers ist neben der notwendigen elektrischen Verschaltung ein Kondensator. Der Kondensator ist so ausgelegt bzw. eingerichtet, dass sich dessen Kapazität verändert, wenn der Kondensator mit Fluid unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit in Kontakt ist. Somit lässt sich durch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides die Kapazität des Kondensators direkt beeinflussen und durch Auswertung dieser Kapazität (unmittelbar) ein Rückschluss auf die Geschwindigkeit des Volumenstroms ziehen.The sensor may be disposed in the fluid conduit, which may be, for example, a tubular conduit for water. The sensor can interact directly with the fluid. The main component of the sensor is, in addition to the necessary electrical wiring, a capacitor. The condenser is designed to change its capacity when the condenser is in contact with fluid of different flow rate. Thus, the capacity of the condenser can be directly influenced by the flow velocity of the fluid and, by evaluating this capacity, a direct conclusion can be drawn about the velocity of the volume flow.
Der Messfühler bzw. der Kondensator ist insbesondere mit beweglichen Komponenten ausgestattet, deren Orientierung und/oder Lage zueinander aufgrund des Kontakts mit dem Fluid mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten (selbstständig bzw. automatisch) verschieden eingestellt wird.The sensor or the condenser is in particular equipped with movable components whose orientation and / or position to one another is set differently due to the contact with the fluid at different flow velocities (independently or automatically).
Der Kondensator kann mindestens zwei Platten umfassen. Ein mittlerer Abstand [d] der mindestens zwei Platten kann auf Grund der Wechselwirkung von mindestens einer der Platten mit dem Fluid und in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides veränderlich sein. Die Platten sind bevorzugt mit ihren jeweils größten Plattenflächen etwa parallel und in einem vorgegebenen mittleren Abstand zueinander angeordnet. Die Platten können aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material bestehen. Es kann eine Schutzschicht um die Platten angeordnet sein, um diese vor chemischen Angriffen durch das Fluid und Kurzschlüssen durch gegenseitigen Kontakt zu schützen. Die Schutzschicht kann beispielsweise eine Oxidschicht sein.The capacitor may comprise at least two plates. A mean distance [d] of the at least two plates may be variable due to the interaction of at least one of the plates with the fluid and depending on the flow rate of the fluid. The plates are preferred with their respective largest plate surfaces arranged approximately parallel and at a predetermined average distance from each other. The plates may be made of any electrically conductive material. A protective layer may be disposed around the plates to protect them from chemical attack by the fluid and short circuits from mutual contact. The protective layer may be, for example, an oxide layer.
Wenn sich der mittlere Abstand [d] der Kondensatorplatten zueinander verändert, ändert sich auch die Kapazität [C] des Kondensators nach der Formel:
Der Kondensator kann mindestens zwei Platten umfassen, deren gegenseitige Flächenüberdeckung auf Grund einer Wechselwirkung mindestens einer der Platten mit dem Fluid und in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides veränderlich ist. Für die Kapazität ist vorrangig die sich überdeckende Fläche der Kondensatorplatten verantwortlich. Daher kann z. B. bei einer Verschwenkung mindestens einer der Platten in der Plattenebene die Flächenüberdeckung zu- oder abnehmen. Der Messfühler ist dabei so eingerichtet, dass in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit eine Bewegung/Verschiebung der Platte(n) hervorgerufen werden, wodurch sich die Kapazität aufgrund der Änderung der sich überdeckenden Fläche der Platten ebenfalls ändert.The condenser may comprise at least two plates whose mutual surface coverage is variable due to an interaction of at least one of the plates with the fluid and the flow rate of the fluid. The capacity is primarily responsible for the overlapping area of the capacitor plates. Therefore, z. B. at a pivoting at least one of the plates in the plane of the plate increase or decrease the area coverage. The sensor is set up so that a movement / displacement of the plate (s) are caused in dependence on the flow velocity, whereby the capacity also changes due to the change of the overlapping surface of the plates.
Bevorzugt ist, dass wenigstens eine Platte des Kondensators relativ zu einer anderen Platte translatorisch und/oder rotatorisch verschiebbar bzw. verschwenkbar ist.It is preferred that at least one plate of the capacitor is translationally and / or rotationally displaceable or pivotable relative to another plate.
Für eine Änderung des mittleren Abstands wird die wenigstens eine Platte durch eine Kraft senkrecht zur Plattenebene (diese ist parallel zu der größten Plattenfläche der Platte) auf die andere Platte zu oder von dieser weg bewegt. Die Auslenkung der beweglichen Platte ist hierbei abhängig von der Kraft hervorgerufen durch und korrespondierend zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluides. Dies lässt sich bei freier Beweglichkeit der Platte durch ein Rückstellelement wie eine Feder bei Translation oder eine Drehfeder bei Rotation erreichen.For a change in mean spacing, the at least one plate is moved toward or away from the other plate by a force perpendicular to the plane of the plate (which is parallel to the largest plate surface of the plate). The deflection of the movable plate is in this case dependent on the force caused by and corresponding to the flow velocity of the fluid. This can be achieved with free movement of the plate by a return element such as a spring during translation or a torsion spring during rotation.
Für eine Änderung der Flächenüberdeckung wird die wenigstens eine Platte parallel zu der Plattenebene relativ zu der anderen Platte verschoben. Diese Verschiebung ist hierbei abhängig von der Kraft hervorgerufen durch und korrespondierend zu der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides. Daher ist ein Rückstellelement in Form einer Feder für translatorische Bewegungen und in Form einer Drehfeder für rotatorische Bewegungen vorzusehen.For a change in area coverage, the at least one plate is displaced parallel to the plane of the plate relative to the other plate. This displacement is dependent on the force caused by and corresponding to the flow velocity of the fluid. Therefore, a return element in the form of a spring for translational movements and in the form of a torsion spring for rotational movements is provided.
Mindestens eine der Platten kann auch relativ zur anderen Platte durch elastische Verformung verschiebbar sein.At least one of the plates may also be displaceable relative to the other plate by elastic deformation.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines hier vorgeschlagenen Messfühlers zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides in einer Fluidleitung einer Sanitäreinrichtung vorgeschlagen.According to a further aspect, the use of a measuring sensor proposed here for determining a flow velocity of a fluid in a fluid line of a sanitary device is proposed.
Die Sanitäreinrichtung kann ein Wasserführungssystem für bzw. umfassend ein Wasserklosett, eine Dusche, eine Badewanne, eine Kochstelle, ein Trinkwasserspender, ein Waschbecken, und/oder ein Urinal sein. Der Messfühler der zuvor beschriebenen Art umfasst einen Kondensator und kann zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in der Fluidleitung verwendet werden, indem die sich entsprechend der Geschwindigkeit des Volumenstroms ändernde Kapazität ausgewertet wird. Solch ein Messfühler funktioniert ohne jegliche Schaufelräder, wodurch auch sehr kleine Volumenströme und Strömungsgeschwindigkeiten erfasst werden können. Der Messfühler kann insbesondere auch dazu verwendet werden, mindesten eine der folgenden weiteren Eigenschaften von Wasser zu bestimmen: Wassertemperatur, Wasserhärte, Lufteinschlüsse bzw. Wassermangel.The sanitary device may be a water supply system for or comprising a water closet, a shower, a bath, a hotplate, a drinking water dispenser, a sink, and / or a urinal. The sensor of the type described above comprises a condenser and can be used for determining the flow velocity in the fluid line by evaluating the capacity which changes according to the velocity of the volume flow. Such a sensor works without any paddle wheels, which means that even very small volume flows and flow velocities can be detected. In particular, the sensor can also be used to determine at least one of the following additional properties of water: water temperature, water hardness, air inclusions or lack of water.
Weiter wird ein Verfahren zum Betrieb einer Sanitäreinrichtung vorgeschlagen, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer Fluidleitung mit einer Messschaltung aufweisend einen Schwingkreis und hier vorgeschlagenen Messfühler;
- b) Erfassen von Signalen der Messschaltung;
- c) Vergleichen der Signale in einer Auswertungseinrichtung der Sanitäreinrichtungen mit mindestens einem Referenzparameter;
- d) Einstellen eines Stellgliedes der Sanitäreinrichtung in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs aus Schritt c).
- a) providing a fluid line with a measuring circuit having a resonant circuit and proposed here probe;
- b) detecting signals of the measuring circuit;
- c) comparing the signals in an evaluation device of the sanitary facilities with at least one reference parameter;
- d) setting an actuator of the sanitary device depending on the result of the comparison of step c).
Schritt a) betrifft insbesondere die mechanische und elektronische Installation eines Messfühlers der hier vorgeschlagenen Art in eine Wasser führende Leitung einer Sanitäreinrichtung. Dafür sollten die entsprechenden elektrischen und datenleitenden Verbindungen eingerichtet und verfügbar sein. Schritt b) kann dann zu gewünschten Zeitpunkten oder auch (ggf. phasenweise) permanent initiiert werden und Messdaten bezüglich der aktuellen Kapazität des Kondensators erzeugen bzw. liefern. Diese Mess-Signale (bzw. elektrische Größen) werden dann gemäß Schritt c) von der Messschaltung hin zu einer Auswertungseinrichtung transportiert, wo diese mit Referenzparametern verglichen werden. Hierfür kann die Auswertungseinrichtung mit Referenzparametern ausgestattet sein, die ausgehend von den aktuellen Mess-Signalen (zumindest) auf eine aktuelle Strömungsgeschwindigkeit des Fluides/Wassers schließen lassen. Weiter können die Mess-Signale auch noch genutzt werden, um mit (anderen) Referenzwerten einen Rückschluss auf die aktuelle Temperatur des Wassers und/oder die Wasserhärte vorzunehmen. Auch kann somit überwacht werden, ob sich überhaupt ein Fluid bzw. Wasser in der Fluidleitung befindet. Ausgehend von dem Ergebnis des Vergleichs und damit einer Analyse der Mess-Signale kann dann bedarfsorientiert eine Betätigung eines Stellglieds der Sanitäreinrichtung vorgenommen werden (Schritt d)), das insbesondere mittels der Auswertungseinrichtung elektronisch (direkt oder mittelbar) eingestellt werden kann. So kann zum Beispiel eine Strömungseigenschaft des Fluides an einer konkreten Stelle einer Fluidleitung der Sanitäreinrichtung neu justiert werden, wie beispielsweise mittels Ventilen, Thermostaten, Weichen, Blenden oder ähnlicher Stellglieder. Dies ermöglicht einen besonders präzisen und energiesparenden Betrieb, wie er z. B. für Wasserarmaturen erwünscht ist. Auch können ggf. Reinigungs- und/oder Wartungsprozeduren initiiert werden.Step a) relates in particular to the mechanical and electronic installation of a sensor of the type proposed here in a water-carrying pipe of a sanitary device. Therefore the appropriate electrical and data connections should be in place and available. Step b) can then be initiated permanently at desired times or else (possibly in phases) and generate or deliver measurement data relating to the current capacitance of the capacitor. These measurement signals (or electrical variables) are then transported in accordance with step c) from the measurement circuit to an evaluation device, where these are compared with reference parameters. For this purpose, the evaluation device can be equipped with reference parameters which, based on the current measurement signals, can (at least) infer an actual flow velocity of the fluid / water. Furthermore, the measuring signals can also be used in order to draw conclusions about the current temperature of the water and / or the water hardness with (other) reference values. Also, it can thus be monitored whether there is any fluid or water in the fluid line. Based on the result of the comparison and thus an analysis of the measurement signals, actuation of an actuator of the sanitary device can then be carried out as required (step d)), which can be set electronically (directly or indirectly), in particular by means of the evaluation device. For example, a flow characteristic of the fluid may be readjusted at a specific location of a fluid line of the sanitary device, such as by means of valves, thermostats, switches, orifices, or similar actuators. This allows a particularly precise and energy-saving operation, as z. B. is desired for water fittings. Also cleaning and / or maintenance procedures may be initiated if necessary.
In dem Verfahren zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit werden insbesondere folgende Prozesse durchgeführt:
- i. Die Kapazität des Kondensators des Messfühlers wird aufgrund einer (unmittelbaren) Wechselwirkung des Messfühlers mit dem Fluid und in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides verändert.
- ii. Zumindest eine elektrische Größe der Messschaltung, welche einen elektrischen Schwingkreis hat, dessen kapazitiver Teil den Kondensator umfasst, wird durch die veränderte Kapazität verändert.
- iii. Die Strömungsgeschwindigkeit wird aus der zumindest einen elektrischen Größe der Messschaltung durch eine Auswertungseinrichtung ermittelt.
- i. The capacitance of the capacitor of the probe is changed due to a (direct) interaction of the probe with the fluid and depending on the flow rate of the fluid.
- ii. At least one electrical variable of the measuring circuit, which has an electrical resonant circuit whose capacitive part comprises the capacitor, is changed by the changed capacitance.
- iii. The flow velocity is determined from the at least one electrical variable of the measuring circuit by an evaluation device.
Die sich entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit ändernde Kapazität beeinflusst das Schwingungsverhalten des Schwingkreises durch Änderung der Eigenfrequenz [ω0] gemäß der Formel: wobei [L] der Induktivität des induktiven Teils des Schwingkreises und [C] der Kapazität des Kondensators bzw. des kapazitiven Teils des Schwingkreises entspricht. Die Auswertungseinrichtung kann diese Veränderung erfassen und einer entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit des Fluides in der Fluidleitung zuordnen bzw. berechnen. Somit lässt sich mit kostengünstigen und zuverlässigen elektrischen Komponenten die Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden besonders präzise ermitteln.The capacitance which changes according to the flow velocity influences the oscillation behavior of the resonant circuit by changing the natural frequency [ω 0 ] according to the formula: where [L] corresponds to the inductance of the inductive part of the resonant circuit and [C] to the capacitance of the capacitor or the capacitive part of the resonant circuit. The evaluation device can detect this change and allocate or calculate it to a corresponding flow velocity of the fluid in the fluid line. Thus, with low-cost and reliable electrical components, the flow rate of fluids can be determined very precisely.
Bei dem Verfahren kann der Schwingkreis von einer Stromquelle einen Spannungsimpuls erhalten und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides durch eine Abklingkurve des Spannungsimpulses bestimmt werden. Der Kondensator wird dabei durch den Spannungspuls der Stromquelle zumindest teilweise aufgeladen. Die Höhe der Ladung wird durch die Kapazität bestimmt, sodass der Entladevorgang Aussagen über die Kapazität und somit die Strömungsgeschwindigkeit zulässt.In the method, the resonant circuit can receive a voltage pulse from a current source and the flow rate of the fluid can be determined by a decay curve of the voltage pulse. The capacitor is at least partially charged by the voltage pulse of the power source. The height of the charge is determined by the capacity, so that the discharge process allows statements about the capacity and thus the flow velocity.
Bei dem Verfahren kann der Schwingkreis alternativ von einer Stromquelle mit einer Spannung in einer Eigenfrequenz des Schwingkreises angeregt und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides durch eine Veränderung eines Spannungsverlaufs des Schwingkreises bestimmt werden.In the method, the resonant circuit can alternatively be excited by a current source with a voltage in a natural frequency of the resonant circuit and the flow velocity of the fluid can be determined by changing a voltage profile of the resonant circuit.
Insbesondere zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens wird auch eine geeignete Vorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst zumindest eine Fluidleitung, eine Messschaltung und eine Auswertungseinrichtung. Dabei umfasst die Messschaltung einen Schwingkreis und einen Messfühler. Der Messfühler umfasst einen Kondensator, dessen Kapazität aufgrund einer Wechselwirkung des Messfühlers mit einem Fluid in der Fluidleitung und in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluides veränderlich ist. Der kapazitive Teil des Schwingkreises umfasst den Kondensator. Die Auswertungseinrichtung ist dazu eingerichtet, aus zumindest einer elektrischen Größe der Messschaltung eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluides zu ermitteln. Zur ergänzenden Beschreibung des Messfühlers kann auch auf die vorherigen Ausführungen zurückgegriffen werden.In particular for carrying out the method explained above, a suitable device is also proposed. The device comprises at least one fluid line, a measuring circuit and an evaluation device. In this case, the measuring circuit comprises a resonant circuit and a measuring sensor. The probe comprises a capacitor whose capacitance is variable due to an interaction of the probe with a fluid in the fluid conduit and in dependence on the flow rate of the fluid. The capacitive part of the resonant circuit comprises the capacitor. The evaluation device is set up to determine a flow velocity of the fluid from at least one electrical variable of the measuring circuit. For additional description of the probe can also be used on the previous versions.
Der Schwingkreis kann aus mindestens einer Serienschaltung oder einer Parallelschaltung einer Spule und eines Kondensators, der Teil des Messfühlers ist, bestehen. Dem Kondensator ist eine Spannungsquelle parallel geschaltet, die entweder einen elektrischen Spannungspuls zum Laden des Kondensators einspeisen und/oder den Schwingkreis mit einer einstellbaren Frequenz anregen kann. Die Auswertungseinrichtung kann eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, ein integrierter Schaltkreis wie beispielsweise ein Mikrokontroller (μC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), etc. oder ein PC sein. Die Auswertungseinrichtung kann beispielsweise in einer Referenztabelle Referenzwerte zur Korrelation von Messwert und Strömungsgeschwindigkeit und/oder entsprechende Berechnungsvorschriften ausgehend von einem Arbeitspunkt (Referenzwert) gespeichert haben.The resonant circuit may consist of at least one series connection or a parallel connection of a coil and a capacitor, which is part of the sensor. The capacitor is connected in parallel with a voltage source which can either supply an electrical voltage pulse for charging the capacitor and / or can excite the resonant circuit with an adjustable frequency. The Evaluation device may be an analog circuit, a digital circuit, an integrated circuit such as a microcontroller (.mu.C), a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), etc. or a PC. The evaluation device can, for example, have stored reference values for the correlation of measured value and flow velocity and / or corresponding calculation instructions starting from an operating point (reference value) in a reference table.
Durch den hier vorgeschlagenen Messfühler kann auch auf die generelle Anwesenheit eines Fluides geschlossen werden, weil die Kapazität von der relativen Permittivität [εr] abhängt, die eine Stoffkonstante ist. Die relative Permittivität von Wasser bei 20°C beträgt ungefähr 80 und die von Luft ungefähr 1.00059, so dass sich nach zuvor genannter Formel für die Kapazität ein deutlich abweichendes Ergebnis für den Fall ergibt, dass in einer Wasserleitung statt Wasser Luft vorhanden ist.The probe proposed here can also be used to deduce the general presence of a fluid, because the capacity depends on the relative permittivity [ε r ], which is a substance constant. The relative permittivity of water at 20 ° C is about 80 and that of air about 1,00059, so that according to the aforementioned formula for the capacity results in a significantly different result in the event that air is present in a water pipe instead of water.
Auch die Temperatur lässt sich über eine Veränderung der relativen Permittivität [εr] und somit über eine Veränderung der Kapazität bestimmen. Die relative Permittivität von Wasser bei 0°C beträgt ca. 88, so dass sich ein Unterschied von ca. 10% in der Kapazität zwischen 0°C und 20°C ergibt. Folglich lässt sich, sofern eine Referenzmessgröße für die Temperatur vorhanden ist oder die Strömungsgeschwindigkeit konstant bleibt, aus einer Veränderung der Kapazität auf die Temperatur schließen.The temperature can also be determined by changing the relative permittivity [ε r ] and thus by changing the capacitance. The relative permittivity of water at 0 ° C is about 88, so that there is a difference of about 10% in the capacity between 0 ° C and 20 ° C. Consequently, if there is a reference measure of the temperature or the flow velocity remains constant, it can be concluded from a change in the capacity to the temperature.
Ein möglicher Referenzwert für die Temperatur kann beispielsweise aus dem Ausgleichsspalt eines Thermostats gewonnen werden, der der Fluidleitung mit dem hier vorgeschlagenen Messfühler vorgeschaltet ist. Damit ist ermöglicht, dass die mit dem Thermostat ermittelte Temperatur bei der Analyse der Messergebnisse des Messfühlers berücksichtigt wird, um hier noch genauere Berechnungen anstellen zu können.A possible reference value for the temperature can be obtained, for example, from the compensation gap of a thermostat, which is connected upstream of the fluid line with the measuring sensor proposed here. This makes it possible that the temperature determined by the thermostat is taken into account in the analysis of the measurement results of the probe in order to make even more accurate calculations here.
Auch die Wasserhärte, welche eine Aussage über die Elektrolyte in dem Fluid macht und somit die Leitfähigkeit des Fluides und dessen relative Permittivität [εr] beeinflusst, lässt sich mit einem solchen Messfühler bzw. Verfahren erfassen, sofern eine entsprechende Referenz vorhanden ist.Also, the water hardness, which makes a statement about the electrolytes in the fluid and thus influences the conductivity of the fluid and its relative permittivity [ε r ] can be detected with such a sensor or method, if a corresponding reference is present.
Für den Anschluss der Messschaltung an handelsüblichen Auswertungseinrichtungen wie PCs ist es vorteilhaft, eine allgemeine bzw. standardisierte Schnittstelle vorzusehen.For connecting the measuring circuit to commercially available evaluation devices such as PCs, it is advantageous to provide a general or standardized interface.
Die Auswertung kann vorzugweise durch ein Softwareprogramm erfolgen, welches in den Speicher einer Auswertungseinrichtung geladen werden kann.The evaluation can preferably be carried out by a software program which can be loaded into the memory of an evaluation device.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen beispielhaft und schematisch:The invention and the technical environment will be explained in more detail with reference to FIGS. It should be noted that the figures show a particularly preferred embodiment of the invention, but this is not limited thereto. The same components are provided in the figures with the same reference numerals. They show by way of example and schematically:
Die
Die Strömung des Fluides
In
Die zweite Platte
In den
In
Alle zuvor gezeigten Arten der Verschiebung der Platten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kondensatorcapacitor
- 22
- erste Plattefirst plate
- 33
- zweite Plattesecond plate
- 44
- Fluidleitungfluid line
- 55
- Messfühlerprobe
- 66
- Messschaltungmeasuring circuit
- 77
- Auswertungseinrichtungevaluation device
- 88th
- Sanitäreinrichtungsanitary facilities
- 99
- Fluidfluid
- 1010
- Schwingkreisresonant circuit
- 1111
- Datenleitungdata line
- 1212
- Abstanddistance
- 1313
- Spannungsquellevoltage source
- 1414
- Stellgliedactuator
- 1515
- Vorrichtungcontraption
- 1616
- Thermostatthermostat
Claims (8)
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